Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами. Монография. К.Н. Маренич by Донецкий политехник (Донецкий национальный технический университет)

Донецкий национальный технический университет

К.Н. Маренич АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН С ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ

Посвящается 100-летию со дня основания Донецкого национального технического университета

МОНОГРАФИЯ

К.Н. Маренич

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН С ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ

Монография

Посвящается 100-летию со дня основания Донецкого национального технического университета

Донецк Издательство «Донецкая политехника» 2020

УДК 622.232.72:621.313.33 ББК 34.7: 31.261.63 Рекомендовано к печати Учѐным Советом ГОУВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» протокол №2 от 26.06.2020 г. Рецензенты: Антипов И.В., доктор технических наук, професор, ведущий научный сотрудник Республиканского академического научно-исследовательского и проектноконструкторского института горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ) (г. Донецк); Павлыш В.Н., доктор технических наук, професор, заведующий кафедрой «Прикладная математика» ГОУВПО «ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (г. Донецк); Чепцов М.Н., доктор технических наук, професор, ректор ГООВПО «ДОНЕЦКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА» (г. Донецк)

Маренич К.Н. М25 Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами : монография / К.Н. Маренич. – Изд. 2-е, доп. и перераб. – Донецк : Издательство «Донецкая политехника», ГОУ ВПО «ДонНТУ», 2020.– 128 с. Рассмотрены особенности построения асинхронных электроприводов горных машин на основе применения маловентильных тиристорных коммутаторов. Приведены результаты исследования процессов в системе «туристорный коммутатор – асинхронный двигатель» при фазовом регулировании питающего напряжения и электропитании квазисинусоидальным напряжением фиксированной пониженной частоты, а также при аварийных режимах функционирования. Особое внимание уделено вопросам влияния ЭДС вращения электрической машины на процессы в системе «тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель». Разработаны функциональные узлы управления и защиты асинхронного маловентильного тиристорного электропривода горной машины, рассмотрены вопросы, относящиеся к обеспечению допустимого теплового состояния силовых полупроводниковых приборов при их размещении в рудничном взрывозащищѐнном корпусе силового коммутационного аппарата на основе применения естественного конвективного водяного охлаждения. Для специалистов в области регулируемого электропривода горных машин, студентов и аспирантов профильных специальностей и направлений подготовки.

УДК 622.232.72:621.313.33

СОДЕРЖАНИЕ От автора

1 Особенности применения тиристорных коммутаторов в качестве регуляторов напряжения асинхронного электропривода…………………………………………………………... 1.1 Системы импульсно-фазового управления тиристорными коммутационными схемами……………………………….… 1.1.1 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами напряжения в цепи статоров асинхронных двигателей………………………………………..… 1.1.2 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами роторного тока асинхронных двигателей ………………………………………………………….…. 1.2 Вопросы устойчивости систем «регулятор – двигатель» при фазовом регулировании ……………………………..… 1.3 Проверка сфазированности каналов систем импульснофазового управления и тиристорного коммутатора ……… 1.4 Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с разомкнутыми системами управления……………………………………………………. 1.5 Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с замкнутыми по параметру скорости системами управления ……………………………. 1.6 Примеры схем типовых узлов замкнутых по скорости систем «регулятор – двигатель» ……………………….. 2 Особенности применения тиристорных коммутаторов в качестве преобразователей частоты напряжения питания двигателей ……………………………………………………….. 2.1 Принцип управления тиристорным коммутатором при формировании квазисинусоидального напряжения …………. 2.2 Процессы в системе «тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель» при электропитании квазисинусоидальным напряжением………………………..… 2.3 Принципы построения формирователей квазисинусоидального напряжения…………………………… 2.4 Управление разгоном электропривода в системах электропитания квазисинусоидальным напряжением………..

7 7

27 35 40

48 55

59 59

64 73 77

3 Защита электроприводов горных машин от динамических перегрузок …………………………..………………………….. 83 3.1 Принципы выявления динамических перегрузок горных машин …………………………………………..…………….. 83 3.2 Процессы в системе «ТК-АД» при индукционнодинамическом торможении асинхронного двигателя …….. 89 4 Защита электропривода от неполнофазного электропитания, дуговых и коротких замыканий ……….…………….. 98 4.1 Процессы в электроприводе при неполнофазном электропитании и принципы защиты ………………………… 98 4.2 Принципы выявления коротких замыканий в сети электропитания асинхронных двигателей ……………………. 104 5 Особенности охлаждения силовых полупроводниковых приборов при размещении в оболочках рудничного электрооборудования ……………....………………………….…. 108 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................... Приложение А Внешний вид экспериментального образца силового тиристорного аппарата (в рудничном исполнении) управления асинхронным электроприводом шахтного конвейера ………… Приложение Б Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства формирования системы трѐхфазных квазисинусоидальных напряжений частоты fM =fc /2 по авт. свид. СССР №1467706…………………………………… Приложение В Схема устройства управления пуском скребкового конвейера с кратковременной ступенью пониженной скорости методом предварительного разгона с переключением частот квазисинусоидальных напряжений в порядке: 7,14 Гц – 12,5 Гц – 16,67 Гц, с последующим переключением на напряжение промышленной частоты по авт. свид. СССР №1517107 …….... Приложение Г Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства выявления динамических перегрузов электропривода по авт. свид. СССР №1242612 ………………..

116

122

124

126

127

ОТ АВТОРА Подавляющее большинство машин и механизмов угольных шахт оснащено электроприводами на основе применения асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором. Контакторный пуск таких двигателей без применения средств регулирования скорости ограничивает функциональные возможности электропривода, обусловливает ускоренный износ его элементов вседствие высоких интенсивностей разгона и сопутствующих этому значительных динамических усилий в трансмиссии машин. Интенсивный разгон рабочего органа горной машины зачастую становится причиной травматизма обслуживающего персонала. Поэтому задача применения регулируемых по скорости электроприводов горнах машин относится к актуальным. Наиболее эффективным средством такого регулирования является полупроводниковый преобразователь частоты. Однако высокая сложность, стоимость являються проблемными факторами, крупные габариты затрудняют его выполнение в рудничной взрывобезопасной оболочке, а большое количество силовых полупроводниковых приборов существенно усложняет решение вопросов их эффективного охлаждения в условиях шахты. Функциональные возхможности маловентильных силовых тиристорных коммутаторов (ТК) позволяют рационально решить вопросы управления пуском и торможением асинхронного электропривода горной машины. Простота их силовой схемы и системы управления обеспечивают высокую надѐжность электропривода, упрощают проблему обеспечения допустимого теплового режима ТК при его размещении в рудничном взрывобезопасном корпусе. Привод горной машины, оснащѐнный тиристорным апаратом на основе тиристорного коммутатора, обладает преимуществами как технического, так и социального характера. Применение тиристорного аппарата повышает эффективность защиты горной машины от перегрузок, вызванных стопорением рабочего органа, сокращает время вынужденных простоев очистного забойного комплекса в целом. Снижение динамических усилий в электроприводе в процессе программного плавного пуска двигателя, наличие быстродействующих защит от аварийных режимов повышают ресурс горной машины. Социальный эффект от применения тиристорных аппаратов управления пуском (торможением) электропривода горных машин 5

заключается в повышении безопасности их эксплуатации. Это связано с возможностью выполнения ряда технологических операций на пониженнях скоростях электропривода. Тиристорный аппарат, будучи электротехническим изделием статического принципа действия, сам обладает повышенной надѐжностью, поскольку осуществляет бесконтактную, т.е., бездуговую коммутацию силовых электрических цепей. Это преимущество особенно важно применительно к условиям шахты, где высока вероятность образования взрывоопасной концентрации метана в атмосфере. В монографии излагаются результаты многолетних исследований, выполненных автором в ходе разработок маловентильных тиристорных устройств для управления скоростными режимами и защиты электроприводов горных машин (Приложение А). Выявленные процессы в системе «тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель», обусловленные действием обратных ЭДС электрических машин позволили не только комплексно раскрыть особенности и потенциальные возможности применения тиристорних коммутаторов в структурах асинхронних электроприводов, но и рассматривать асинхронный двигатель как активную электрогенерирующую установку, в т.ч., и в контексте воздействия на силовой полупроводниковый преобразователь, а также на параметры электробезопасности промышленной электросети на интервале выбега электродвигателей потребителей, что нашло своѐ воплощение в профильных учебных курсах высших технических учебных заведений [1, 2]. Основной массив изложенных научных и практических результатов в своѐм приоритете принадлежит автору данной монографии, которая является вторым изданием книги «Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами» (Донецк: 1997г.) [3], переработанной и дополненной актуальной технической информацией на основе изобретений автора, защищѐнных авторскими свидетельствами СССР. Выражаю признательность кандидату технических наук, доценту Сидоренко Ивану Тимофеевичу за его инициативы в области исследования и разработки силовых полупроводниковых устройств для управления асинхронными электроприводами горных машин, инженерам Дзюбану Сергею Витальевичу и Шевчику Валерию Богдановичу за помощь в организации и проведении промышленных испытаний экспериментальных устройств тиристорных электроприводов. Автор, К.Н. Маренич 6

1 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИРИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА 1.1 Системы импульсно-фазового управления тиристорными коммутационными схемами 1.6.1 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами напряжения в цепи статоров асинхронных двигателей Тиристорная преобразовательная техника занимает одну из лидирующих позиций в системах регулирования параметров электроприводов. Применительно к асинхронным двигателям (АД) тиристорные коммутаторы (ТК), содержащие три пары встречнопараллельно соединѐнных тиристоров (по одной – в каждой фазе сети), работающие в режиме импульсно-фазового управления, выполняют функцию регулирования величины действующего напряжения, подаваемого на статор двигателя: 1 U Т

tк



u 2 dt

(1.1)

tн

Эта функция достигается посредством фазовых задержек α (эл. град.) включения тиристоров (рис. 1.1).

u1 ΔT u1

uн

t tк

uн t1

а б Рисунок 1.1 – Схема (а) и диаграмма напряжений (б) однофазного тиристорного регулятора напряжения 7

В общем случае тиристорный регулятор напряжения выполняет коммутационную функцию и в трѐхфазной сети переменного тока представлен схемой тиристорного коммутатора (ТК), состоящей из трѐх пар включенных встречно-параллельно (по одной в каждой фазе) тиристоров (рис. 1.2). Особенностью рабоРисунок 1.2 – Типовая схема подты ТК с АД является зависиключения ТК к сети и цепи статора мость интервала проводимости асинхронного двигателя тиристора не только от угла α отпирания, но и от состояния тиристоров смежных фаз, которые, в свою очередь, определяются их углами α отпирания, уровнем анодных напряжений и ЭДС вращения АД, углами φ отставания фазных токов ротора. Регулировочные характеристики трѐхфазного ТК (рис.1.2) при работе в системе ТК-АД и различных углах α представлены на рисунке 1.3 и свидетельствуют о широких возможностях ТК по регулированию величины напряжения, питающего АД [4]. U*н φ= 650 0,8 0,6 0,4 0,2

φ= 50 0

120

160

α, эл. град.

Рисунок 1.3 – Регулировочные характеристики ТРН по схеме: «6 тиристоров» (1); «3 тиристора, 3 диода» (2); φ – фазовый угол нагрузки 8

Регулированием напряжения, подаваемого на статор АД, достигается изменение критического момента последнего при постоянстве критического скольжения: Мк(α)=Мкн(U(α)/Uн)2,

(1.2)

где Мкн – критический момент АД при номинальном Uн напряжении питания; Мк(α) – критический момент АД при пониженном в функции α напряжении питания U(α). Регулирование частоты вращения АД происходит за счѐт уменьшения модуля жѐсткости механических характеристик. При условии работы АД на устойчивой части механической характеристики диапазон изменения частоты вращения ротора АД ограничен нижним уровнем, соответствующим критическому скольжению sк. Таким образом, непосредственно управляющую функцию в отношении ТК выполняют системы импульсно-фазового управления путѐм формирования углов α отпирания тиристоров (в функции опорного напряжения, поступающего от устройства управления приводом). По способу отсчѐта величины угла α отпирания СИФУ делятся на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчѐт углов α отпирания для каждого тиристора производится в соответствующих каналах. Это объясняется тем, что каждый тиристор регулятора напряжения (ТК) коммутирует полуволну напряжения соответствующей фазы и полярности. Поэтому импульсы управления, поступающие на тиристоры ТК, должны быть синхронизированы с соответствующими фазными напряжениями сети. Это поясняется диаграммой напряжений канала СИФУ (рис. 1.4). На его вход поступает напряжение Uc, синхронизированное устройством синхронизации (УС) с сетевым напряжением. Посредством компаратора К1 (рис. 1.5) оно сравнивается с нулевым уровнем. В результате, формируются импульсы UК1, синхронизированные с соответствующими полуволнами напряжения Uс, которые подаются на вход формирователя пилообразного напряжения (ФПН) G1. С его выхода пилообразные импульсы UG1, синхронизированные с соответствующими полуволнами напряжения Uс (импульсами UК1), сравниваются компаратором К2 с опорным напряжением Uоп. При условии UG1 < Uоп, компаратора К2 формирует импульсы UК2. Таким образом, изменяя величину напряжения Uоп можно перемещать во времени передний фронт импульсов UК2. Эти импульсы могут быть использова9

ны в качестве управляющих для соответствующих тиристоров регулятора напряжения (тиристорного коммутатора).

uC 0

ωt

UK1 ωt

UG1 UОП

UОП

UK2 t Рисунок 1.4 - Диаграммы напряжений канала СИФУ

к сети УС

== К1

== К2

УРБ

Uоп

к другим каналам СИФУ

Рисунок 1.5 - Функциональная схема канала СИФУ

В схеме канала СИФУ на выходе компаратора К2 предусмотрен усилительно-развязывающий блок (УРБ). В качестве синхронизирующих для СИФУ наиболее широкое распространение нашли трѐхфазные трансформаторы напряжения. В таком трансформаторе выходные напряжения (в фазах) смещены одно относительно другого на 120 эл. град. Поэтому для формирования импульсов, синхронизированных с положительными и отрицательными полуволнами каждого фазного напряжения входы компараторов смежных каналов (одной фазы) подключают к выходной фазной обмотке трансформатора в соответствии со схемой (рис. 1.6). Напряжение пилообразной формы может быть сформировано разными способами: - формирование путѐм перезаряда ѐмкости переменным током прямоугольной формы; - формирование путѐм заряда ѐмкости через резистор от источника постоянного напряжения и дальнейшего ускоренного еѐ разряда. TV 1

uA Канал І Канал ІI

uC Компараторы а б Рисунок 1.6 - Схема подключения трѐхфазного синхронизирующего трансфрматора к СИФУ (а) и векторная диаграмма его выходных напряжений (б) Последний способ, в частности, реализуется схемой, содержащей RC–цепь и ключ на составном транзисторе VT1, VT2 (рис. 1.7). При поступлении входного импульса Uвх транзистор VT2 запирается, и на конденсаторе C1 формируется возрастающее напряжение Uвых. При исчезновении импульса Uвх, транзистор VT2 отпирается, что ведѐт к ускоренному разряду конденсатора C1 (через этот транзистор). В ка11

честве ФПН может быть также использован интегратор – операционный усилитель, охваченный ѐмкостной обратной связью. +

Uвх

t Uвих

Uвх

Uвих

а б

Рисунок 1.7 - Схема (а) и диаграммы напряжений (б) формирователя пилообразного напряжения на составном транзисторе и RC-цепи Усилительно-развязывающий блок (УРБ) предназначен для усиления по мощности импульсов управления, подающихся на тиристоры ТК и гальванической развязки (по напряжению) силовых цепей (с тиристорами) и цепей управления (СИФУ). На рис. 1.8, а приведена схема УРБ на основе применения генератора отпирающих импульсов (ГОИ), который формирует последовательность импульсов высокой частоты UГОИ. Во время существования выходных импульсов СИФУ UК2 соответствующие ключевые транзисторы отпираются, и «пакеты» выходных импульсов Uвых ГОИ проходят по первичным обмоткам трансформаторов TV1, формируя пакеты импульсов, отпирающих тиристоры ТК (рис. 1.8, б). При управлении преобразовательными устройствами, содержащими несколько тиристоров (например, тиристорным выпрямителем, либо тиристорным регулятором напряжения переменного тока) количество каналов СИФУ (рис. 1.5) должно соответствовать количеству тиристоров. При этом все каналы управляються одним опорным напряжением. Кроме этого, каналы могут иметь общие блоки, например, узел синхронизации, генератор отпирающих импульсов.

U вых.

УРБ Канал І

Uк2 R1 VT1

VT2

U вых. УРБ

Канал 6

а UГВ І

t UК2

t Uвых

Рисунок 1.8 - Схема (а) и диаграмма напряжений УРБ (б), при формировании пакетов импульсов для включения тиристоров ТК Проблемным вопросом, относящимся к эксплуатации многоканальных СИФУ, является необходимость точной настройки одинаковых наклонов выходных импульсов формирователей пилообразного напряжения (ФПН) каждого канала. Поэтому очевидным шагом совершенствования аналогово-цифровой схемотехники СИФУ являют13

ся технические решения по минимизации количества ФПН. Показательным примером этого служит схема СИФУ, представленная на рис. 1.9, где позициями 7-12 отмечены дифференцирующие цепи, а позициями 19 и 21 – формирователи пилообразного напряжения [5].

19 21

Рисунок 1.9 - Схема СИФУ по авт. свид. СССР № 1457121 Как следует из анализа диаграммы напряжений (рис. 1.10) функциональных узлов этого устройства, прямоугольные импульсы U1–U6, синхронизированные с полуволнами фазных напряжений сети, поступают с выходов компараторов 1–6 на дифференцирующие цепи 7–12 и диоды 13–18, откуда передние фронты, соответственно, U13, U15, U17 и U14, U16, U18 определяют моменты формирования пилообразных импульсов, соответственно, U19 и U21 (продолжительность пилообразных импульсов – 2π/3 рад.). В результате сравнения этих пилообразных импульсов с изменяемым по величине управляющим опорным напряжением Uупр. (компараторы 20 и 22) формируется группа импульсов U23– U28, фазовое смещение передних фронтов которых обусловлено величиной параметра Uупр.. Задние фронты импульсов U23 – U28 определяются окончаниями соответствующих прямоугольных импульсов U1–U6. 14

Uф

UА

UВ

UС ωt

U19 t t

U U21

U23

U25 U27

t t

U24

U26

t t

U28

Рисунок 1.10 – Диаграмма напряжений функциональных узлов СИФУ (рис. 1.9) Процедура формирования выходных импульсов устройства (СИФУ) состоит в следующем. Выходные импульсы компараторов 20, 22 поступают на цепи управления тиристоров, соответственно, 35,37,39 и 36, 38, 40, на аноды которых с выходов компараторов, со15

ответственно, 1, 3, 5 и 2, 4, 6 подаются импульсы U1–U6. Каждый из тиристоров с приходом на его управляющий электрод выходного импульса компаратора (U20, U22) остаѐтся открытым до окончания соответствующего импульса из серии U1–U6, поданного на его анод. Включенное состояние тиристоров (из группы 35 – 40) определяет формирование логических «единиц» на выходах соответствующих инверторов (из группы 41 – 46). В свою очередь, одновременно формируемые логические «единицы» на выходах компараторов 1 – 6 и инверторов 41 – 46 обусловливают формирование выходных импульсов СИФУ U23 – U28 на выходах элементов И (23 – 28). Рассмотренные способы относятся к СИФУ «вертикального» принципа действия, когда угол α фазовой задержки отпирания тиристоров ТК формируется в результате сравнения перемещаемого «по вертикали» постоянного опорного напряжения с пилообразными импульсами, синхронизированными с полуволнами фазных напряжений сети [6]. Технически функция СИФУ может быть реализована и иным способом, когда пилообразные напряжения, смещаясь по фазе, сравниваются с фиксированными уровнями нескольких разных по величине опорных напряжений. Примером такого технического решения является схема СИФУ (рис. 1.11) и диаграммы напряжений еѐ функциональных узлов (рис. 1.12). Данное устройство содержит соединѐнные последовательно фазорегулятор 1, компаратор (нуль-орган) 2, инвертор 3. Выходы нульоргана 2 и инвертора3 соединены, соответственно, с входом одного из двух формирователей пилообразного напряжения (ФПН) 4 и 5. Выходы последних подключены к первым входам формирователей 611 импульсов, состоящих из соединѐнных последовательно компараторов 12-17 и дифференцирующих цепей 18-23. На вторые входы этих формирователей 6-11 импульсов подаются напряжения смещения (нулевой потенциал, напряжения U6, U7) с делителя напряжения 24. Функционирование данного устройства состоит в следующем. На вход фазорегулятора 1 подают напряжение, пропорциональное напряжению трѐхфазной сети и синхронизированное с напряжением одной из фаз. Выходное напряжение U1 фазорегулятора 1 (фазу которого можно изменять в диапазоне 180 эл. град.) преобразуют в прямоугольные импульсы U2 компаратором (нуль-органом) 2 и U3 инвертором 3. Данные импульсы являются синхронизирующими для ФПН 4 и 5, выходные пилообразные импульсы которых U4, U5 по16

ступают на первые входы компараторов 12 – 17, соответственно, формирователей 6 – 8 и 9 – 11. Эти пилообразные импульсы сравниваются с нулевым потенциалом (компараторы 12 и 15), напряжением U6 (компараторы 13 и 16), напряжением U7 (компараторы 14 и 17), снимаемым с делителя 24. UB UC UA

Рисунок 1.11 – Схема СИФУ по авт. свид. СССР №1319189 Для трѐхфазной сети напряжения U6 и U7 принимают равными, соответственно, 1/3 и 2/3 от амплитуды пилообразных импульсов U4, 17

U5. В этом случае точки равенства данных импульсов с напряжениями смещения сдвигаются на π/3 рад.

Uф

ωt 0 U1

ωt

0 U2

ωt

0 U3 0 U4

ωt U7 =2U4m/3 U4m

U6 =U4m/3

0 U5

t U7 =2U5m/3 U5m

U6 =U5m/3

U12

U13

U14

U15

U16

U17 0

Рисунок 1.12 – Диаграмма напряжений функциональных узлов СИФУ (по рис. 1.11)

Из импульсов, формируемых компараторами 12-17, посредством дифференцирующих цепей 18-23 выделяют передние фронты U18 – U23, которые могут быть использованы для подачи на управляющие электроды тиристоров ТК после усиления и гальванической развязки. Изменяя фазу выходного напряжения U1 фазорегулятора 1, можно синхронно сдвигать по фазе пилообразные импульсы U4, U5 и, соответственно, смещать на заданный фазовый угол α выходные импульсы U23 – U28 устройства. Вариант технического решения в области регулируемого фазового смещения (в диапазоне 0 ÷120 эл. град.) последовательности пилообразных импульсов, сравниваемых с опорными напряжениями разных уровней, представлен схемой СИФУ (рис.1.13) и диаграммами напряжений (1.14) [7]. А В С

10 5

3 4

Uупр.

14 11

13 18

19 16

Рисунок 1.13 – Схема СИФУ по авт. свид. СССР №1598081 Совместным действием компараторов 1-4, подключенных к фазам источника напряжения, синхронизированного с сетью, логических элементов И 5, 7 и ИЛИ 6 формируются импульсы U5, U7, управляющие формирователем 9 пилообразных напряжений U9. Последние генерируются на интервалах отсутствия импульсов U5, U7 и, 19

сравниваются с управляющим (изменяемым по величине) напряжением Uупр.. В результате, на выходе дифференцирующей цепи 11 формируются перемещаемые по фазе короткие импульсы U11, управляющие формированием последовательности пилообразных импульсов U13 (длительностью π рад.). В результате сравнения с опорными напряжениями U16, U17 и последующих логических преобразований формируются смещаемые по фазе импульсы U14, U19, U20 управления парами тиристоров (по одной в каждой фазе сети) тиристорного коммутатора. Uф

UA ωt

U7 t

U9 t U11 t U13 U17 U16 t U15 t

U14

t U21 t U20

U19 t

Рисунок 1.14 – Диаграмма напряжений функциональных узлов СИФУ (по рис. 1.13)

Формирование импульсов управления тиристорами трѐхфазного регулятора напряжения (тиристорного коммутатора) в структуре СИФУ может быть реализовано и на основе применения пересчѐтных схем (цифровых распределителей импульсов (рис. 1.15, рис. 1.16) [8].

UA UB UC

1 2 3

12 4

9 7

32 14 17

Uвых

Рисунок 1.15 – Схема СИФУ по авт. свид. СССР №1697228

Uф

ωt

0 U2

U16 U5

t U30

t t

U11 U12

U10 U8.1 U8.2

U8.3 U8.4

t t t t

U8.5 U8.6

t t

U21 t

U22 U23

t t

U27 U28

t t

U29

Рисунок 1.16 – Диаграмма напряжений функциональных узлов СИФУ (по рис. 1.15) В результате сравнения синхронизированного с сетью пилообразного напряжения U1 (длительностью π рад. с периодом 2π рад.) с изменяемым по величине опорным напряжением U3 формируется импульс U2 с изменяющейся (регулируемой) фазой переднего фронта. С передним фронтом U5 этого импульса (U2) синхронизируется работа второго формирователя пилообразного напряжения (интегра22

тора) 11. Его выходные напряжения в течение периода сети формируются в виде пилообразных импульсов U11, «сбрасываемых» при достижении их амплитудой величины опорного напряжения U12. В моменты сброса короткие импульсы U10 с выхода компаратора 10 поступают на вход шестиканального кольцевого распределителя импульсов 8, выходные импульсы (U8.1 – U8.2) которого преобразуются логическими элементами ИЛИ (18-20), И (21-23, 27-29), инверторами 24-26 в последовательность смещаемых по фазе импульсов управления тиристорами ТК U21 –U23, U27-U29, каждый из которых имеет длительность π рад. и отстоит от предшествующего и последующего в смежных каналах на π /3 рад. Принципиальной особенностью одноканальных СИФУ, предназначенных для управления трѐхфазными ТК, является то, что в них отсчѐт углов отпирания α всех тиристоров ТК производится в одном канале с последующей логической обработкой выходных сигналов фазосдвигающего устройства. На рис. 1.17 представлен вариант схемы одноканальной СИФУ [9]. В ней фазосдвигающее устройство (ФСУ), состоящее из интегратора 1, источника опорного напряжения 2, компаратора 3 и дифференцирующей цепи 4, синхронизировано с одной из фаз сети и обеспечивает фазовый сдвиг выходного импульса U4 в диапазоне 0 < α < 180 эл. град. (рис.1.18). На интервале в 2π рад. Между импульсами U4 формируется пилообразное напряжение U6, которое сравнивается посредством компараторов 7-11 с нулевым уровнем и пятью напряжениями, величины которых кратны 1/6 амплитуды U6. Длительность импульсов, полученных в результате сравнения, кратна π/3 рад. Путѐм логического суммирования, а также перемножения этих импульсов (посредством узла коммутации 18) формируются импульсы управления тиристорами длительностью π рад., сдвинутые в соседних каналах на π/3 рад. (U9; U24-U28). Выходы СИФУ подключаются к тиристорам таким образом, что выходные импульсы при α = 0 эл. град. Соответствуют по фазе положительным анодным напряжениям соответствующих тиристоров. Поэтому обязательным условием эксплуатации одноканальных СИФУ в системах трѐхфазных тиристорных регуляторов напряжения является наличие устройств , соответствующим образом переключающих выходные каналы СИФУ при изменении порядка чередования фазных напряжений сети. В противном случае, при реверсе фаз сетевого напряжения выходные импульсы СИФУ не будут среверсированы, что приведѐт к асимметрии выходных напряжений тиристорного коммутатора. 23

1 2 UA

U = var

+ (U29) &

7 19 12

24 &

20 13

U25 25

U24

U26 26

10 22

≥1

U27 27

23 16 17

≥1

U28 28

Рисунок 1.17 – Схема одноканальной СИФУ по авт. свид. СССР № 1453554 Командоаппаратом переключающих устройств служит фазовый анализатор. В основу его схемы может быть положен принцип неравномерного распределения напряжений в фазах при их несимметричной нагрузке, либо эффект различного фазового соотношения отстающих и опережающих напряжений трѐхфазной сети при изменении порядка их чередования [10]. В последнем случае схема фазового анализатора (рис.1.19) содержит два компаратора 1и 2 , подключенных к различным фазам сети через трансформатор 3. 24

ωt

0 U1

U3 t

U2 t U4 U6

t U16 U15 t t t

U29 U7 U8 U9 U10 U11

t t t t t t t

U24 U25 U26 U9

t t

U27 U28

Рисунок 1.18 – Диаграмма напряжений одноканальной СИФУ по авт. свид. СССР № 1453554 В соответствии со схемой (рис. 1.19а), выходы этих компараторов соединены через дифференцирующие цепи 4 и 5 с первыми входами логических элементов И, соответственно, 6 и 7 и непосредственно со вторыми входами логических элементов И, соответствен25

но, 7 и 6. На выходах последних предусмотрены элементы самоблокировки 8 и 9. Компараторы 1 и 2 формируют прямоугольные импульсы U1 и U2, синхронизированные с положительными полуволнами напряжений первой и второй фазы. (рис. 1.19). Их передние фронты передние фронты формируются дифференцирующими цепями 4 и 5 (U4; U5). С В

U1 U8

U9 7

5 а U3

ωt

U1 t U2

t б

Рисунок 1.19 – Схема (а) и диаграмма напряжений (б) фазового анализатора по авт. свид. СССР № 1585859 26

Таким образом, если напряжение, подаваемое на первую фазу, является опережающим по отношению к напряжению второй фазы, то будет сформирован импульс на интервале существования импульса U1. В противном случае импульс U4 будет сформирован на интервале существования импульса U2. Указанные состояния фиксируются элементами И (6, 7) и самоблокировки (8, 9). Схемы СИФУ могут бать выполнены и на базе микропроцессорной техники. В этом случае исключается необходимость применения аналоговых элементов, в частности, формирователей пилообразных импульсов, требующих точной настройки. Схема СИФУ (элементы управления тиристорами одной фазы) на основе микроконтроллера приведена на рис. 1.20. В этой схеме роль устройства синхронизации выполняет трансформатор TV1. После преобразования компаратором DA1 сигнал синхронизации подаѐтся на вход микроконтроллера DD1. В этом микроконтроллере осуществляется отсчѐт заданных улов α отпирания тиристоров, пропорциональных опорному напряжению Uоп. Программой формируются на выходах микроконтроллера пакеты отпирающих импульсов, которые после усиления и гальванической развязки (оптопары V1.1, V1.2, транзисторы VT1 - VT4, трансформаторы TV3, TV4) подаются на силовые тиристоры VS1, VS2. 1.1.2 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами роторного тока асинхронных двигателей Широкое применение реостатных схем управления скоростным режимом асинхронных двигателей (АД с фазным ротором) для плавного разгона рабочих органов горных транспортных машин предполагает рассмотрение перспективных схем, в которых классическое реостатное регулирование электромеханических параметров асинхронного двигателя дополняется тиристорным регулированием величины роторного тока. В качестве примера может быть рассмотрена схема управления интенсивностью разгона асинхронного двигателя в структуре привода ленточного конвейера при использовании обобщѐнной цепи дополнительных роторных резисторов R1; R2; R3; R4 в качестве нагрузки мостового выпрямителя VC1 цепи роторных токов двигателя М1 (рис. 1.21а).

~220

Рисунок 1.20– Схема канала СИФУ, выполненная на микроконтроллере

Uк1

Uоп

Uу

Uнг

Использование обобщѐнной цепи дополнительных резисторов в присоединении ротора имеет преимущество в сравнении с широко применяемыми схемами реостатного регулирования скоростных параметров АД, в которых предусмотрено присоединение дополнительных реостатных цепей к каждой фазе ротора, что состоит в обеспечении симметрии величин роторных токов каждой фазы АД независимо от отклонений величин сопротивлений роторных резисторов от номинальных [11].

КМ1

М1 б) VC1

Система Системауправления управління

КМ1

VS4 VS3 VS2

М1 R4 R3

VS1

а)

R2 R1

в)

Рисунок 1.21 – Схема асинхронного электропривода с реостатным управлением (а) и его пусковая диаграмма (б): 1; 2; 3; 4; 5 – механические характеристики; a-b-c-d-e-f-k-l-m-n-ω – динамическая характеристика; схема реостатного управления АД с присоединением реостатных цепей к каждой фазе ротора (в) 29

Электромеханические параметры схемы (рис. 1.21а) характеризуются следующими соотношениями: - ток выпрямителя: Id 

Ed 0

   2 2  R p  R дод  R c X   2    2   S k тр  

(1.2)

где Rдод  R1  R2  R3  R4 ; Еd0 – ЭДС мостового выпрямителя при неподвижном роторе (s = 1); kтр – коэффициент трансформации двигателя; X  3    Х с  Х р    kтр - эквивалентное индуктивное сопротивление двигателя.  R  В выражении (1.2) R p   p 2   Rнв – суммарное активное сопро kтр  тивление роторной цепи; Rнв – дополнительное сопротивление роторных цепей, не выводимое в процессе регулирования (как правило, сопротивление проводников и силовых контактов присоединения); - электромагнитный момент двигателя:

М  I d E20  X  I d  

0

(1.3)

- суммарный момент инерции системы, приведенный к валу одного двигателя: JΣ=k Jn /2g , где Jп – момент инерции привода (двигателей), Н∙м; k – коэффициент, учитывающий моменты инерции вращающихся элементов рабочего органа. Автоматическое управление асинхронным электроприводом на этапе пуска предполагает выполнение условий перевода двигателя на смежные механические характеристики в порядке увеличения их жѐсткости по критерию поддержания заданной диаграммы скорости рабочего органа (или ротора приводного двигателя). Техническая реализация этого принципа состоит в закорачивании дополнительных резисторов роторной цепи (рис. 1.21, а) в порядке: R1; R2; R3; R4 отпиранием тиристоров в порядке: VS1; VS2; VS3; VS4, при котором осуществляется перевод двигателя на дискретные механические характеристики (рис. 1.22) в порядке: 1-2-3-4 – с дальнейшим выходом на естественную механическую характеристику 5. 30

Рисунок 1.22 – Динамическая характеристика электропривода конвейера при дискретном реостатном регулировании скоростных параметров асинхронного двигателя по схеме (рис. 1.21а) [11] Динамическая пусковая характеристика электропривода (линия H1-a1-V1-H2-a2-V2-H3-a3-V3-H4-a4-K-H5-Sc), определяющая свойства системы, рассчитывается по уравнению движения [9,10]:

М S , e   М б S   J 

d dS  М б S   J   0 dt dt

(1.4)

где М(s,λе) – электромагнитный момент двигателя как функция скольжения s и параметра λе, характеризующая степень отпирания 31

тиристоров мостового выпрямителя VC1; Мб – момент на приводном барабане конвейера, приведенный к валу двигателя; JΣ – суммарный момент инерции, приведенный к валу двигателя. Электромагнитный момент асинхронного двигателя при использовании тиристорного регулятора роторного тока (выпрямитель VC1 – управляемый) совместно со средствами реостатного регулирования, может быть представлен зависимостью:

М  2е a  S  b  S 2 

(1.5)

где е  0,1U вих max  U вих ; Uвых max – максимальное напряжение выхода выпрямителя; Uвых – текущее значение выходного напряжения, соответствующее і-й величине угла α отпирания тиристоров мостового Ed20 Ed20  X b а выпрямителя; ;  B  0  ; B 2  0



 



В   2 2  R p  Rб . Параметр λе=0 при закрытых тиристорах выпрямителя; λе=1 при полностью открытых тиристорах выпрямителя (или при использовании неуправляемого выпрямителя VC1 на диодах). Особенностью работы ТК в качестве регулятора роторного тока является нестабильность частоты роторной ЭДС, подаваемой на вход ТК. При неподвижном роторе еѐ частота составляет 50 Гц. По мере увеличения частоты вращения ротора она снижается, обычно, до 1,5 – 2,0 Гц. В этих условиях требуется специальная СИФУ, обеспечивающая неизменность величин углов α отпирания тиристоров относительно длительностей полуволн ЭДС ротора. Схема такой СИФУ (рис.1.23) состоит из шести идентичных каналов 1-6, соединѐнных выходами с цепями управления тиристоров 7-12 ТК и подключенных к источнику опорного напряжения 13 [12]. Компаратор 14 канала преобразует входную ЭДС СИФУ в последовательность прямоугольных импульсов U14 (рис.1.24), которые подаются на интегратора 15 непосредственно и на интегратор 16 через дифференцирующую цепь 17. Интегратор 15 формирует пилообразные импульсы U15 при отсутствии импульсов U14, а интегратор 16 формирует импульсы U16 при отсутствии импульсов U17, снимаемых с выхода дифференцирующей цепи. Импульсы U15 совпадают с положительными полуволнами анодных ЭДС соответствующих тири32

сторов ТК. Длительность импульсов U16 равна, а их амплитуда – пропорциональна периоду этих анодных ЭДС. Поэтому независимо от частоты последних, моменты равенства величин импульсов U15 и U16 будут иметь одинаковый фазовый сдвиг углов α относительно момента начала положительной полуволны анодного напряжения соответствующего тиристора ТК, т.е., отношение α/Т будет постоянным. Этот сдвиг можно изменить в диапазоне 0 < α < 180 эл. град. путѐм изменения величины пилообразного напряжения U16, что достигается соответствующим изменением величины опорного напряжения Uоп, подаваемого на цепи питания интеграторов 16. Таким образом, регулирование величины угла α обеспечивается соответствующим изменением наклона переднего фронта импульса U3 (рис. 1.24) [12]. Вход 1 8 14 2

3 4 13

9 12

5 6

Выход Рисунок 1.23 – Схема СИФУ для электросети с изменяющейся частотой синусоидального напряжения (ЭДС) по авт. свид. СССР № 1504756 В электроприводе, оснащѐнном АД с фазным ротором, тиристорный коммутатор может быть использован как регулятор роторного тока в соответствии со схемой (рис.1.25). Выходы ТК при этом соединяются в «звезду», а входы подключаются к ротору непосредственно, либо через добавочные резисторы. Изменением угла отпирания тиристоров регулируется роторный ток и, следовательно, жѐст33

кость механической характеристики АД. Этим обусловливается возможность регулирования скорости электропривода в процессе пуска. ТЭДС Ur

Ur t

t t U3

U4 t t

Рисунок 1.24 – Диаграмма напряжений канала СИФУ (рис. 1.23) в схеме тиристорного регулятора электрических параметров в сети с изменяемой частотой напряжения (ЭДС) R1

VS1

VS3

VS5

КМ1 uA uB uC М1

VS2

VS4

VS6 Рисунок 1.25 – Cхема подключения ТК в режиме тиристорного регулятора роторного тока асинхронного двигателя

1.2 Вопросы устойчивости систем «регулятор – двигатель» при фазовом регулировании В процессе фазового регулирования напряжения питания имеют место состояния, когда в результате взаимного влияния параметров ТК и АД система ТК-АД теряет устойчивость, способность адекватно реагировать на управляющие воздействия [1, 13, 14, 15]. Еѐ расчѐтная схема (рис.1.12) иллюстрирует влияние на процессы ЭДС вращения евр, индуктированной в статоре полем токов ротора. Расчѐтная схема системы «ТК-АД» (рис. 1.26) включает источник питания с фазными напряжениями UA; UB; UC ТК (VS1-VS6); асинхронный двигатель, в котором: Rs, Ls, соответственно, активное сопротивление и индуктивность статора; Rr, Lr - соответственно, активное сопротивление и индуктивность ротора; Lm - индуктивность главного магнитного поля, в расчѐте на фазу асинхронного двигателя; В частности, для k-й фазы при проектировании вектора потокосцепления на оси, расположенные под углом 120 эл. град. и неподвижные в пространстве, эта ЭДС вращения будет иметь вид:  eв рk 

1 p0 ( Lm (2is ( k 1)  isk )  Lr (2ir ( k 1)  irk )) , 3

где р – число пар полюсов АД;

(1.6)

- токи статора и ротора.

евр евр евр

Рисунок 1.26 – Расчѐтная схема системы ТК-АД

Анализ процессов в системе ТК-АД по методу фиксированных состояний показывает, что фиксированной величине напряжения питания асинхронного двигателя соответствует несколько решений дифференциальных уравнений, определѐнных в функции ω ш= const. 35

u  r i  (d / dt )  j  u  r i  (d / dt )  j(  p )  Li Li ;  L i Li; M  (3 / 2) pL L [i  i ]; s

s s

r r

s s

0 r

o s

r r

0 m

;

(1.7)

Jd / dt  M  M ОП ,

где u r - вектор напряжения ротора; u s и  s - векторы напряжения и потокосцепления статора АД, ωш – угловая скорость системы координат: J и M – соответственно, момент инерции и электромагнитный момент АД, Моп – момент сопротивления АД: Ls и Lr – эквивалентные фазные индуктивности статора и ротора АД, соответственно, Ls = Lsс + L0 и Ls = Lsс + L0. Фактическому режиму соответствует только одна угловая скорость ротора, а именно, та, при которой М = Моп. При условии, когда угол α отпирания тиристоров ТК превышает 0 эл. град. (наиболее явно эффект проявляется при αз ≥ 60 эл. град.), а угловая скорость ωш = ω1 близка к номинальной ω2, асинхронный двигатель находится на устойчивой части своей механической характеристики. В этом случае магнитный поток машины уменьшен соответственно уменьшению величины питающего напряжения U(α): Ф(α) = U(α)/4,44 fωk

(1.8)

Постоянство электромагнитного момента (М=Мс=const) при уменьшенном напряжении питания обеспечивается повышением тока, потребляемого АД: M = k Ф(α) Ir cos φ2,

(1.9)

где k – конструктивный коэффициент; φ2 – угол между ЭДС вращения АД и током его ротора:

cos  2  rr' / s / ( rr' / s) 2  (2fLr) 2 , 36

(1.10)

где f - частота напряжения сети; s – скольжение ротора АД. Таким образом, повышенный в сравнении с номинальным ток АД и близкая к номинальной угловая скорость ротора двигателя обусловливают повышение ЭДС вращения АД. При этом возникают интервалы времени, когда мгновенные значения ЭДС вращения АД становятся бόльшими, чем величины фазных напряжений u’A; u’B; u’C выхода ТК на отдельных интервалах времени в течение периода напряжения сети. Это, в свою очередь, обусловливает изменение фактических углов отпирания α и uB проводимости β тиристоров uA uC ТК, что поясняется диаграмu мами напряжений (рис. 1.27). ωt На этом рисунке показаны 0 диаграммы изменения ЭДС вращения АД при условии, ев А что сформированный систеψ u’A мой управления угол отпираt4 ния силовых тиристоров ТК αз ωt 0 = 90 эл. град. Диапазон измеt7 нения ЭДС вращения от 0,45 αз до 0,9 от амплитуды номиu’B нального фазного напряжения ев В t6 соответствует данным эксплуωt атации. 0 t3 В данном случае тириβФ стор, который коммутирует u’C t1 напряжение положительной αф полярности фазы «А», будет ωt открыт только на интервале 0 t2  t  t5, поскольку на этом инt5 ев С тервале времени потенциал фазной ЭДС вращения, котоt2 рая воздействует на его катод, Рисунок 1.27 - Диаграммы напряжебудет оставаться меньшим поний системы «ТРН-АД» в процессе автоколебаний при фазовом регулитенциала анода. В это же вреровании напряжения статора АД мя будут включены тиристоры, коммутирующие полуволны напряжений противоположного знака фаз «В» (до момента t4) и «С» (до момента t6). Благодаря действию ЭДС вращения АД прово37

дящее состояние тиристоров ТРН может быть увеличено до 180 эл. град. при фазовой задержке тока до 120 эл. град. Таким образом, углом проводимости тиристора, коммутирующего положительную полуволну напряжения фазы А, будет являться не заданный βз=t1-t3, а фактический βф=t2-t5=180 эл. град. интервал времени, т.к. только в это время ЭДС вращения, подведенная к его катоду со стороны АД, будет оставаться меньшей, чем потенциал анода (рис. 1.13). В это же время имеют проводящие состояния тиристоров, коммутирующих отрицательные полуволны фаз «В» (до момента t4 ) и «С» (до момента t6). В этом случае напряжения, подводимое к АД, достигает номинального значения, что обусловливает переход АД на естественную механическую характеристику и последующее уменьшение тока и ЭДС вращения АД, возврат углов отпирания и проводимости тиристоров к исходным значениям. После этого напряжение питания АД вновь снижается, что создаѐт условия для последующего повышения тока и ЭДС вращения двигателя. Эти положения иллюстрируются осциллограммами (рис. 1.28). 0,01 с

ев

α=750

α=1200

f = 50 Гц

Рисунок 1.28 – Фрагменты осциллограмм фазных: напряжения u, ЭДС вращения eв и тока i статора АД в течение периода автоколебаний параметров системы ТРН-АД (двигатель мощностью 32 кВт) Экспериментально полученные характеристики автоколебаний параметров системы ТРН-АД (для двигателя мощностью 32 кВт) приведены на рис. 1.29. По данным эксперимента в системе ТК-АД диапазон колебания амплитуд потребляемого тока статора составил 0,27 – 2,15 (отн. ед.) при периоде колебаний Та = 1,04 с. Этот период зависит от постоянной времени АД (Тм). При условии U(α)=const: 38

 2 J 0 ( r s 

2 s

 ( x s  xr ) 2 / 3U ( ) . '

(1.11)

Е в.m эл. град.

Е в.m

Период автоколебаний

Рисунок 1.29 – Диаграммы параметров системы „ТРН-АД” при наличии автоколебаний: α и β – фактические углы, соответственно, отпирания и проводимости тиристоров ТРН, Eвm/Umном – отношение амплитуд ЭДС вращения и номинального напряжения соответствующей фазы; I1m/I1mi – отношение амплитуд фактического и номинального тока статора АД

При рассмотрении периодических процессов в системе ТК-АД представляется корректным ввести допущение, что изменению напряжения питания АД от Umin, соответствующего заданному углу α отпирания тиристоров ТК (при котором начинаются автоколебания), до номинального Uн соответствует изменение скольжения ротора АД от s1 до sн. Интервалу ΔU=Uн-Umin соответствует интервал Δs =s1 - sн, а приращение Δω при повышении тока АД обусловливает повышение ЭДС вращения ротора, изменение углов коммутации тиристоров, повышение напряжения питания асинхронного двигателя. Продолжительность процесса описывается уравнением:

TM  tn 2

sk s (  s s s k )ds , н 39

(1.12)

При достижении напряжением на статоре и скольжением ротора номинальных значений переход асинхронного двигателя на естественную механическую характеристику завершается. Последующее снижение потребляемого тока обусловливает уменьшение ЭДС вращения, что при заданных углах αз отпирания тиристоров ТК, существенно превышающих нулевой уровень, создает условия для продолжения неустойчивого, автоколебательного процесса. Наличие условий возникновения и существования неустойчивых состояний системы ТК-АД обусловливает необходимость коррекции управляющей функции со стороны системы управления. В частности, речь может идти об ограничении заданного угла αз отпирания тиристоров ТК величинами, меньшими 60 эл. град. при скольжении ротора АД, близким к критическому значению, либо превышающем его (в общем случае, о сокращении интервалов времени на уровне не более половины периода автоколебаний, когда αз ≥ 60 эл. град.). В качестве варианта эта задача может быть решена путѐм интенсивного повышения (не менее, чем до 50 эл. град./с) скорости уменьшения заданного угла αз отпирания тиристоров ТК при выполнении управляемого плавного пуска АД в случае скачкообразного повышения напряжения в цепи между ТК и АД (что является признаком начала неуправляемого автоколебательного процесса). 1.3 Проверка сфазированности каналов систем импульснофазового управления и тиристорного коммутатора Одним из основных вопросов наладки тиристорных коммутаторов является проверка их фазировки, т.е., проверка соответствия по времени импульсов управления тиристорами ( на выходе СИФУ при α = 0 эл. град.) их анодным напряжениям. Эта проверка должна проводиться на специальном стенде, схема которого представлена на рис. 1.16. Схема предусматривает последовательную проверку сфазированности каждого тиристора ТК с соответствующими импульсами управления СИФУ. В частности, для проверки VS1 следует выполнить операции [3]: - подключить к выходу тиристорного коммутатора трѐхфазную активную нагрузку R1, R2, R3; - зашунтировать перемычками тиристоры двух других фаз ; - отсоединить управляющие электроды тиристоров VS1 и VS2 от соответствующих импульсных трансформаторов развязки TV; 40

- установить угол отпирания СИФУ α= 0 эл. град.; - подключить на вход Y1-Y3 двухлучевого осциллографа PS1 выход трансформатора TV, а вход Y2-Y4 осциллографа подключить параллельно тиристору VS1; - подать на вход ТК трѐхфазное напряжение сети. При правильной фазировке тиристора VS1 на экране осциллографа будет совпадение по фазе пакета отпирающих импульсов и положительной полуволны анодного напряжения. Указанную проверку сфазированности тиристоров ТК и выходных каналов СИФУ следует производить, используя осциллограф с изолированными от корпуса входами, т.к. входы Y2; Y3; Y4 будут находиться под потенциалом напряжения сети. uA TV1

VS1

VS2

к СИФУ Y1 Y3

PS1

Рисунок 1.30 – Схема проверки соответствия пакетов управляющих импульсов, подаваемых на тиристоры ТК фазам анодных напряжений 1.4

Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с разомкнутыми системами управления

В преобладающем большинстве случаев пуск асинхронного двигателя производят путѐм непосредственного (контакторного) подключения его к питающей сети. Учитывая то, что двигатель начинает свою работу, находясь на неустойчивой механической характеристике, его разгон сопровождается повышением ускорения по мере увеличения угловой скорости, пока не произойдѐт выход двигателя на устойчивую механическую характеристику. Само по 41

себе, это вызывает значительные динамические перегрузки в трансмиссии любого привода, уменьшает еѐ ресурс и сопровождается рывком при страгивании с места подвижных элементов, что не безопасно для обслуживающего персонала. Однако, контакторное подключение к сети асинхронного двигателя приводит так же к возникновению в нѐм электромагнитного переходного процесса, сопровождаемого возникновением апериодической составляющей магнитного потока (и, соответственно, тока намагничивания) величина которой определяет начальную величину электромагнитного переходного момента [4]. Это обусловливает воздействие на формирование роторных токов двигателя, что ведѐт к рассогласованию между их фактическим значением и величинами, которые они должны иметь при соответствующем скольжении. Установившийся режим достигается после нескольких колебаний около положения равновесия после затухания переходных токов. Таким образом, контакторный пуск асинхронного двигателя происходит по его динамической механической характеристике 1 (рис. 1.31), отличающейся колебаниями электромагнитного момента двигателя в процессе разгона. Она отображает связь между мгновенными значениями момента и скорости двигателя в переходном процессе его работы, в отличие от статической механической характеристики 2, которая отображает связь между средними значениями момента и скорости в устойчивых режимах и является геометрическим местом точек равновесия системы «двигатель-нагрузка». Коэффициент затухания переходной составляющей момента увеличивается с увеличением скорости ротора, а наибόльшее количество колебаний пиков переходного момента имеет место при неподвижном роторе двигателя и в зоне малых его скоростей. С целью обеспечения приемлемых условий эксплуатации электромеханических систем, высокого ресурса трансмиссий горных машин целесообразно осуществлять управление динамическими режимами пуска электроприводов в контексте управления электромагнитными переходными моментами, в частности, путѐм воздействия на величину свободной составляющей магнитного потока асинхронного двигателя, который возникает в процессе его пуска. При неизменной величине частоты напряжения сети единственным способом управления током намагничивания и, 42

соответственно, создаваемым им потоком, является воздействие посредством полупроводникового, в частности, тиристорного регулятора напряжения (ТРН) на систему фазных напряжений, которые прикладываются к двигателю.

МН

МП

Мн

Мп

Рисунок 1.31 – Пусковая динамическая (1) и статическая (2) механические характеристики асинхронного двигателя Такое воздействие может быть реализовано одним из трѐх способов. Первый состоит в ограничении напряжения питания двигателя с целью уменьшения установившейся величины магнитного потока и применительно к горным машинам (где возникают значительные моменты сопротивления) является неприемлемым. Его реализация сопровождается значительным увеличением продолжительности разгона двигателя (рис. 1.32). Увеличивается продолжительность протекания по обмоткам двигателя токов, существенно превышающих номинальную величину. Такое управление работой двигателя может привести его несостоявшемуся пуску в связи с невозможностью преодоления момента сопротивления (в случае питания двигателя напряжением пониженной величины в процессе пуска). Другой способ предусматривает детерминированное подключение к сети обмоток статора двигателя для создания 43

благоприятных начальных электромагнитных условий в момент подключения, обеспечивающих минимальную амплитуду переходного момента. Условием полного устранения переходных моментов является следующее соотношение между начальным потокосцеплением  s (0) и результирующим вектором напряжения u s трѐхфазной системы:

 s (0)   ju s (0) / 2

М; іs; ωs

(1.13)

М; іs; ωs

Рисунок 1.32 – Осцилограммы пуска АД при регулировании напряжения питания средствами ТРН [2]: а – прямиой пуск; б – α = 600; в – α = 900 Параметр u s обусловливающий направление потокосцепления  s (0) , определяется мгновенными значениями фазных напряжений сети и совпадает с их максимумами. Поэтому детерминированное подключение асинхронного двигателя к трѐхфазной системе должно производиться только при максимуме напряжения соответствующей фазы. Это может быть реализовано посредством трѐхфазного тиристорного коммутатора. На практике вначале подключают две фазы двигателя на линейное напряжение, после чего подключают третью фазу в момент максимума еѐ напряжения. Однако, это не 44

устраняет высокой интенсивности разгона асинхронного двигателя до номинальной скорости (рис. 1.33).

Рисунок 1.33 – Осцилограммы пуска асинхронного двигателя при разных начальных условиях: а – контакторное подключение к сети; б – детерминированный пуск В промышленности широкое применение нашѐл третий способ управления динамическими режимами асинхронного двигателя (способ плавного пуска), который заключается в снижении (в сравнении с контакторным включением) скорости повышения напряжения питания асинхронного двигателя и, соответственно, тока намагничивания. Его реализация основана на использовании тиристорного регулятора напряжения (ТРН) в силовом присоединении питания двигателя. При этом, средствами фазового регулирования (изменением величины заданного угла α отпирания тиристоров) изменяют выходное напряжение ТРН (напряжение питания АД), начиная с уменьшенного фиксированного уровня до номинальной величины по определѐнному закону в течение фиксированного интервала времени. Расширению области применения силовых ТРН для обеспечения плавности пуска асинхронных двигателей горных машин способствует простота силовой схемы регулятора, включая систему охлаждения силовых тиристоров при их размещении во взрывобезопасной оболочке устройства. Для тех. технологических установок, плавный пуск которых не предусматривает поддержание заданной диаграммы скорости при колебаниях момента сопротивления, достаточно применения разомкнутых схем управления ТРН. Этим ещѐ более упрощается схемотехника средств управления плавным пуском двигателей. Для этого класса устройств 45

(«soft-start») характерной является структура схемы, реализованной в устройстве КУВПП-250М (рис. 1.34) [16]. КМ2

ТРН

КМ1

ТРАНСФОРМАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

БЛОК ПИТАНИЯ

БЛОК СИНХРОНИЗАЦИИ

ДРАЙВЕРЫ ТИРИСТОРОВ

ДАТЧИК ТОКА

ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА

АЦП

БЛОК УПРАВЛЕНИЯ

ПУСК / СТОП

ДИСПЛЕЙ

УСТРОЙСТВО ВВОДА ДАННЫХ

Рисунок 1.34 – Структурная схема комплектного устройства КУВПП-250М плавного пуска асинхронного двигателя Работа устройства начинается включением последовательного контактора КМ1. При отключенных тиристорах ТРН это сопровождается отсутствием тока и дугообразования в силовой цепи контактора, что существенно увеличивает его ресурс. Как правило, закон изменения выходного напряжения ТРН задаѐтся пользователем в зависимости от особенностей эксплуатации электропривода технологической установки, управляемой от устройства плавного пуска (рис. 1.35) и представляет собой прямую линию. Величина задания стартового выходного напряжения ТРН находится в пределах от 0 до 60% от номинального. При необходимости пуска установки 46

со значительным моментом сопротивления предусмотрен режим «kick-start». В этом случае на начальном этапе пуска происходит кратковременный, продолжительностью 0,8 с. «наброс» напряжения на выходе ТРН. По окончании разгона двигателя тиристоры ТРН выводятся из работы включением шунтирующего контактора КМ2. Напряжение, % 100 %

Стартовый импульс

Свободный

выбег АД Плавная остановка

Начальное напряжение

Пуск

Работа

Остановка

Время в секундах

Рисунок 1.35 – Диаграммы изменения выходного напряжения тиристорного коммутатора устройства КУВПП-250М в процессе разгона и замедления асинхронного двигателя потребителя В случае необходимости увеличения продолжительности замедления двигателя в сравнении с его свободным выбегом при отключении, в устройстве «soft-start», предусмотрена функция плавной остановки. В этом случае по команде «СТОП» система управления вначале полностью открывает тиристоры коммутатора, а затем в заданном диапазоне времени увеличивает угол α их отпирания, снижая напряжение на выходе ТРН до нуля. После этого отключается контактор КМ1 (при отсутствии проводящего состояния ТРН процесс его отключения не сопровождается дугообразованием). Таким образом, в случае применения устройства «soft-start» создаѐтся система «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель», в которой величина напряжения статора АД может изменяться в полном диапазоне в соответствии с фазовым принципом управления тиристорами ТРН, создавая воздействия на величину электромагнитного момента асинхронного двигателя.

1.5

Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с замкнутыми по параметру скорости системами управления

Стабилизация диаграммы фактической угловой скорости двигателя при неустойчивом моменте сопротивления может быть достигнута путѐм применения замкнутых систем автоматического управления (САУ) приводом. На рис. 1.36 приведена функциональная схема простейшей – одноконтурной САУ, которая относится к следящим системам с пропорциональным управлением и, как правило, применяется для обеспечения управляемого разгона электропривода с поддержанием соответствия его фактической скорости величине заданной скорости в условиях колебаний момента сопротивления, в сервоприводах перемещения исполнительного органа в соответствии с диаграммами изменений управляющего сигнала и т.п. УС Uз =k1ωз

Uу = k1Δω Р

СУУ

ωф

_ Uф = k1ωф

ДПУ

Рисунок 1.36 – Структура электропривода с одноконтурной, замкнутой по параметру регулирования (ωф) системой автоматического управления Структура САУ следящим электроприводом составлена из соединѐнных последовательно узла сравнения (УС), согласующеусиливающего узла (СУУ), регулятора (Р), и двигателя (Д). Рассмотрим пример, где параметром управления является фактическое угловое перемещение Θф вала рабочего органа привода (например, моторредуктора), величина которого измеряется соответствующим датчиком параметра управления (ДПУ). Выходной величиной этого датчика является пропорциональное напряжение Uф = k1 Θф, сравниваемое в УС с напряжением Uз = k1Θз , пропорциональным заданному параметру перемещения. Выходное напряжение узла сравнения Uу = k1ΔΘ пропорционально величине рассогласования ΔΘ между заданной и 48

фактической величинами перемещения (Θз и Θф), где k1 – коэффициент пропорциональности. Передаточный коэффициент всей электромеханической системы представляет собой произведение нескольких коэффициентов: пропорциональности: k1 усиления kу (СУУ) и передаточных коэффициентов: двигателя kД и регулятора kР. k = k1 kу kД kР ;

(1.14)

Коэффициент демпфирования F системы определяется совокупностью параметров жѐсткости β механической характеристики двигателя (отношением диапазона колебания электромагнитного момента двигателя к соответствующему диапазону колебания его угловой скорости и коэффициента трения (f) [4]. F= β +f;

(1.15)

Постоянная времени электромеханической системы обусловлена величиной момента инерции J привода и определяется выражением: Т = 2J/ F;

(1.16)

С учѐтом (1.15–1.16), величина рассогласования ΔΘ фактического Θф и заданного Θз параметров управления определяется из выражения [4]:  

t 2 F F kF 2 2  з T  ( ) 2 (1  q T )  2  k sin( qt  )  e з k kq T T



k F  ( )2 J 2J

tg 

;

(1.18)

qTF , F kT

(1.19)

(1.17)

где ωз = dΘз /dt – скорость изменения заданного параметра регулирования (заданной скорости привода). Из анализа (1.17) можно сделать вывод о том, что при мгновенном возникновении сигнала задания (Θз) параметра регулирования (изменяющегося по скорости ωз), величина фактического параметра 49

(Θф) начинает изменяться по соответствующей траектории движения с определѐнными колебаниями, уменьшающимися по амплитуде с постоянной времени привода (Т). В дальнейшем рабочий орган привода будет двигаться со скоростью, которая определяется параметром задания Θ з = f(t) при рассогласовании ΔΘ:  

F . k з

(1.20)

Амплитуда рассогласования ΔΘ оценивается коэффициентом успокоения λ следящей системы: F  , (1.21) 2 kJ ΔΘ

При выполнении управляемого пуска электропривода в соответΘ з; Θф ствии с заданной диаграммой скорости двигателя подобная одноконтурная система автоматического управления осуΘ з = f(t) ществляет управляющую функцию применительно Θф = f(t) к двигателю в зависимости от величины и знака рассогласования фактической и заданной угловой скорости. В этом случае 0 t возможны скачкообразные воздействия на объект Рисунок 1.37 – График управления управления по отклонеперемещением рабочего органа нию его фактической скоэлектропривода при применении рости от заданной как в одноконтурной САУ большую, так и в меньшую сторону. Точность поддержания заданного графика скорости в значительной степени обеспечивается за счѐт минимизации постоянных времени датчика 50

параметра управления (в данном случае – датчика скорости), согласующе-усилительного узла и регулятора. Этот принцип может быть реализован электроприводом с асинхронным двигателем при применении тиристорного регулятора напряжения (схема на тиристорах VS1-VS6, идентичная рис. 1.26, рис. 1.34) в цепи его статора и характеризуется возможностью формирования семейства совокупностью механических характеристик асинхронного двигателя U2 < U1 (рис. 1.38). Система автоUH sк ω U1 < UH матического управления, sк замкнутая по параметру ω0 скорости привода, способна поддерживать угловую скорость двигателя на заданном уровне в диапазоне от нуля до номинальной путѐм коррекции управляющего воздействия на двигатель в функции отклонеМ ния фактической скорости от заданной. Однако, при Мк 0 работе на угловых скоростях, меньших номинальРисунок 1.38 – Механические ной, двигатель потребляет характеристики АД при изменении ток превышающий номивеличины напряжения питания нальную величину. Поэтому данный принцип управления применяют исключительно для реализации плавного пуска асинхронного двигателя при условии выполнения заданной диаграммы скорости с последующим контакторным шунтированием фаз тиристорного регулятора напряжения. Преимуществом схемотехники реализации этого принципа является упрощѐнная схема преобразователя (ТК, функционирующий как ТРН, выполнен на 6-и силовых тиристорах), что существенно упрощает задачу обеспечения приемлемого теплового режима преобразователя при размещении его во взрывозащищѐнной рудничной оболочке. Эффективность применения трѐхфазного тиристорного регулятора напряжения с замкнутой по скорости одноконтурной системой автоматического управления может быть рассмотрена на примере 51

электропривода шахтного ленточного конвейера, оснащенного аппаратом АПМ-1 (рис. 1.39) [17]. БС ДТ

БЗ

ДТ

БДТ VS1

VS2

VS3

VS4 VS5

VS6

УРБ

VS7

ТРН

ДС

СИФУ

БАУ

ЗС

КМ

Рисунок 1.39 – Структурная схема аппарата АПМ-1: ТРН – тиристорный регулятор напряжения; КМ – шунтирующий контактор; ДТ, ДС - датчики тока и скорости; ЗС – задатчик скоростного режима разгона привода; БС; БЗ – блоки синхронизации и защит; СИФУ - система импульсно-фазового управления; УРБ – усилительно-развязывающий блок; БАУ; БДТ – блоки автоматического управления и индукционно-динамического торможения АД Проблематика разработки аппарата АПМ-1 состояла в том, что до 1990-х годов ленточные конвейеры, оснащаемые АД с короткозамкнутым ротором, не комплектовались устройствами плавного пуска. В этом случае интенсивный разгон приводного барабана, характерный для контакторного пуска двигателя, приводил к первоначальному натяжению набегающей ветви ленты при ослаблении сбегающей и создавал предпосылки для возникновения значительных колебаний растягивающих усилий в ленте (рис.1.40) [18]. * АПМ-1 - первый в СССР серийный силовой тиристорный аппарат управления электроприводом горной машины в рудничном взрывохзащищѐнном исполнении, совместная разработка, выполненная в Донецком политехническом институте (ныне ДонНТУ) и НИИ «Автоматгормаш», г. Донецк. По состоянию на 2020 г. выпускается серийно, начиная с 1991 г. 52

Vб

0 1c 0

Sсб2 Sсб1 Vсб1

Vсб2

0 0

Рисунок 1.40 – Осциллограммы параметров пуска ленточного конвейера 1Л100К-1 при непосредственном подключении приводного двигателя мощностью 100 кВт к сети: Vб –скорость барабана конвейера; Vсб1 ; Vсб2 – скорость сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); Sсб1; Sсб2 – растягивающее усилие в сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); P- мощность двигателя В схеме АПМ-1 реализован принцип коррекции момента асинхронного двигателя путѐм изменения величины питающего напряжения промышленной частоты в зависимости от величины и знака рассогласования между заданной (блок ЗС) и фактической (блок ДС) скоростью тягового органа конвейера. Скорость реакции на рассогласование скоростных параметров должна быть обеспечена быстродействием датчика скорости, который устанавливается в редукторе конвейера и формирует импульсный сигнал, частота которого определяется частотой вращения первой шестерни редуктора. Аппарат позволяет обеспечить управляемый пуск асинхронного электропривода ленточного конвейера продолжительностью до 12 с и, кроме этого, создавать режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя применительно к управлению приводом бремсбергового конвейера. Последнее обеспечивается совместной работой тиристоров VS2; VS3; VS7 (рис. 1.39).

Сопоставление осциллограмм контакторного (рис. 1.40) и управляемого (рис. 1.41) пуска привода конвейера [19] показывает, что непосредственное подключение асинхронного двигателя к сети сопровождается значительными колебаниями растягивающих усилий (Sсб) в сбегающей ветви конвейерной ленты, резкими перепадами еѐ скорости (Vсб) - от – 0,27 м/с (замедление) до + 0,6 м/с (ускорение) при величине ускорения 0,71 м/с2. Растягивающие усилия в сбегающей ветви ленты превышают в 1,75-2,1 раза усилия установившегося режима при номинальной нагрузке конвейера. Управляемый пуск конвейера сопровождается ускорением ленты: 0,173 м/с2. Приращение растягивающего усилия в сбегающей ветви ленты отличается малой интенсивностью.

Vб

0 0 0

1c Sсб1

Sсб2 Vсб1

0 0 Vсб2

Рисунок 1.41 – Осциллограммы параметров управляемого пуска ленточного конвейера 1Л100К-1 при применении аппарата АПМ-1: Vб –скорость барабана конвеєра; Vсб1 ; Vсб2 – скорость сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); Sсб1; Sсб2 – растягивающее усилие в сбегающей ветви ленты (параметры 1-го и 2-го датчиков); P- мощность двигателя Применение контактора (КМ) в схеме АПМ-1 позволяет отключать тиристоры ТРН после завершения разгона конвейера и в дальнейшем осуществлять электропитание двигателя конвейера через этот контактор. Это способствует нормализации теплового режима тиристоров в условиях размещения в рудничном взрывобезопасном корпусе (рис. 1.42). 54

Рисунок 1.42 – Внешний вид (а) аппарата АПМ-1 и компоновка регулятора напряжения в составе тиристорного модуля опытного образца этого аппарата (б) Ограничительным фактором при применении аппарата АПМ-1 является повышенная величина потребляемого тока на интервале разгона двигателя. Поэтому в схеме АПМ-1 введены: ограничения на количество повторных пусков привода; фиксированный интервал между двумя следующими один за другим пусками. Применение устройств плавного пуска электроприводов ленточных конвейеров целиком согласуется с алгоритмом работы известных систем управления шахтными конвейерными линиями, таких, как АУК-1М; АУК-2М; САУКЛ; APD-1 и т.п. [4, 20], поскольку продолжительность плавного разгона привода ленточного конвейера не превышает задержки времени на срабатывание защиты от пробуксовки конвейерной ленты. 1.6

Примеры схем типовых узлов замкнутых по скорости систем «регулятор – двигатель»

Типовая структура замкнутого контура регулирования скорости (рис.1.43) предусматривает наличие системы импульсно-фазового управления (СИФУ), формирователя опорного напряжения (ФОН), задатчика (ЗС) и датчика (ДС) скорости, блока согласования (БС). Практический интерес представляет рассмотрение их схемных реше55

ний. Задатчик скорости моделирует требуемую скорость привода, формируя напряжение, изменяющееся во времени в соответствии с требуемым изменением скорости. Его схема строится в зависимости от конкретных технологических особенностей эксплуатации электропривода. При необходимости осуществления пуска с постоянным ускорением задатчик интенсивности в исполнении на дискретных элементах электронной аппаратуры представляет собой интегратор. Если требуется в процессе пуска изменить интенсивность разгона, в схему ЗС может быть введен переключатель ѐмкостей обратной связи интегратора. Такое переключение ѐмкостей может осуществляться по команде (сигналу) от датчика скорости или команде таймера. Мс

СИФУ

ТК

М; ω

АД

UОП

ФОН ЗС

UЗС

UДС

БС

ДС

Рисунок 1.43 – Структура замкнутой по параметру угловой скорости двигателя системы регулирования скорости электропривода Рассмотренные ЗС нашли свое применение в системах ТК-АД электроприводов различных горных машин. Однако они не исчерпывают всей совокупности разновидностей данных устройств. Каждая конкретная схема ЗС строится с учѐтом особенностей эксплуатации электропривода конкретного типа машины. Важным звеном в системе ТК-АД является формирователь опорного напряжения (ФОН). В зависимости от рассогласования напряжений ЗС и ДС он изменяет напряжение на выходе, что приводит к изменению углов α отпирания тиристоров СИФУ. Наиболее простая схема ФОН в исполнении на дискретных элементах применительно к замкнутой по параметру скорости приво56

да системе ТК-АД, представлена на рис. 1.44 [3]. Сигналы Uзс и Uдс сравниваются посредством компаратора DA1. В начале пуска привода Uзс > Uдс. В результате, на выходе компаратора DA1 формируется логическая «единица», а на выходе инвертора D1 – логический «нуль». Транзистор VT1 закрывается¸ а транзистор VT2 открывается. Этим создаѐтся возможность заряда конденсатора С1, в результате чего напряжение на резисторе R3 и опорное напряжение Uоп на выходе повторителя DA2 понижаются. Снижение напряжения Uоп приводит к уменьшению в СИФУ углов α фазовой задержки отпирания тиристоров ТК. В результате, напряжения на выходе ТК, подаваемое на АД, повышается, что приводит к увеличению электромагнитного момента двигателя и частоты вращения его ротора. +UИП R2 C1

R1 UЗС

UОП

D1 VT1 R3 R4 VT2

DA1

UДС Рисунок 1.44 – Схема формирователя опорного напряжения (ФОН) для управления СИФУ, выполненного на дискретной элементной базе При Uзс ≤ Uдс на выходе компаратора DA1 формируется логический «нуль», открывая транзистор VT1 и запирая транзистор VT2. Процесс заряда конденсатора С1 прекращается и сменяется процессом его разряда через резистор R2. Это приводит к повышению углов α на выходе СИФУ, снижению напряжения на выходе ТК и ограничению частоты вращения ротора АД. Этими операциями обеспечива57

ется поддержание уровнем.

скорости привода в соответствии с заданным

BR1

C3 DA1

VT1 R5

VT2 C2 DA2

UВЫХ. R8

Рисунок 1.45 – Схема частотно-аналогового преобразователя Рассматривая замкнутую систему асинхронного электропривода, следует учитывать, что сигнал ЗС имеет характер постоянного напряжения, изменяемого по величине во времени. Сигнал обратной связи по скорости может быть представлен переменным напряжением пропорциональной частоты. В этом случае блок согласования параметров ЗС и ДС может быть представлен схемой частотноаналогового преобразователя (рис. 1.45) [3]. Входной сигнал (переменное напряжение) поступает с ДС (BR1) на вход компаратора DA1, посредством которого преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов Uн той же частоты. Их передние фронты отпирают транзистор VT1, разряжая конденсатор С3 до напряжения, пропорционального их длительности. В интервалах между импульсами транзисторы VT1 и VT2 заперты, и на конденсаторе С3 удерживается напряжение, до которого он зарядился в течение существования предшествующего импульса. Таким образом, выходное напряжение частотно-аналогового преобразователя пропорционально частое входного напряжения.

2 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИРИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ 2.1

Принцип управления тиристорным коммутатором при формировании квазисинусоидального напряжения

Специфической особенностью такой горной транспортной машины, как скребковый конвейер, является зависимость коэффициента сопротивления (fi) перемещению рабочего органа от скорости (v) этого перемещения (рис. 2.1), что обусловливает соответствующее воздействие на силу сопротивления (Wi) перемещению рабочего органа [21, 22]: Wi = qi (fi cоsβ ± sinβ) Lд,

(2.1)

где fi – обобщѐнный коэффициент сопротивления перемещению на незагруженной (і=1) и загруженной (і=2) ветви конвейера; qi - вес 1 м рабочего органа (с учѐтом веса груза); Lд - длина линейного участка конвейера; β - угол наклона конвейера; знаки «+» и «-» принимаются, соответственно, для восходящей и нисходящей ветвей. f2

f1 0,6

0,6

0,4

0,4 а 0

б 1

v, м/с

Рисунок 2.1 – Графики зависимости коэффициента сопротивления перемещения рабочего органа скребкового конвейера от скорости его движения: а – конвейер не загружен; б – конвейер загружен углѐм Данная особенность определяет тот факт, что сила сопротивления рабочего органа конвейера при его страгивании может почти вдвое превышать силу сопротивления в продолжительном состоянии 59

движения. Это обусловливает необходимость применения в структуре электропривода асинхронных двигателей с глубокопазным ротором (в которых момент пусковой приблизительно равен моменту максимальному). Однако существует вероятность остановки или несостоявшегося пуска приводного двигателя в случае, когда величина его электромагнитного момента не превышает величину момента сопротивления. В то же время, интенсивный разгон рабочего органа скребкового конвейера создаѐт потенциальную опасность травматизма персонала, в частности, в стеснѐнных условиях очистного забоя шахты. Поэтому направлением совершенствования конвейеров является реализация управляемого пуска с кратковременным поддержанием уменьшенного уровня скорости рабочего органа при увеличении тягового усилия. В этом случае может быть предусмотрено преобразование частоты трѐхфазного напряжения питания асинхронного двигателя конвейера. Однако схемы полупроводниковых преобразователей отличаются сложностью, достаточно высокими стоимостными показателями, а в случае применения в рудничном взрывозащищѐнном исполнении существенно усложняется решение задачи охлаждения большого количества силовых полупроводников преобразователя в условиях их размещения в закрытых взрывонепроницаемых оболочках. Решением этого технического противоречия может быть применение способа электропитания асинхронного двигателя квазисинусоидальным напряжением [3, 15, 23]. В этом случае формирование трѐхфазной системы напряжений достигается переключением групп тиристоров VS1-VS6 коммутатора (рис. 2.2) по очереди в соответствии с таблицей состояний (табл. 2.1). Условием формирования напряжений, симметричных в фазах и полуволнах (рис. 2.3) является поддержание продолжительностей ∆t формирования отпирающих импульсов для каждой группы (по одному тиристору в фазе): ∆t = 1/ (6f мод);

(2.2)

fмод = fм / (6n ± 1)

(2.3)

где fмод – частота модуляции квазисинусоидального напряжения; fм – промышленная частота сети; n – число натурального ряда; знаки «+» и «-» соответствуют прямому и обратному порядку фазных квазисинусоидальних напряжений. 60

u A;

u B;

uB VS2

uC VS4

VS6

ωt t

uквA

VS1

uквB

uквC

t t0

uквA

VS3

VS5

RA uквВ

RB uквС

Рисунок 2.2 – Диаграмма формирования фрагментов квазисинусоидальных напряжений на сопротивлениях RA , RВ , RС нагрузки на временном интервале t0 – t3 (в открытом состоянии - группа тиристоров VS2; VS3; VS5) Таблица 2.1 - Диаграмма включенных состояний тиристоров при формировании периода квазисинусоидального напряжения Интервалы коммутации 1 2 3 4 5 6

Включенные тиристоры Прямой порядок фаз Обратный порядок фаз fмод = fм / (6n + 1) fмод = fм / (6n - 1)

VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х Х

ТC

uА u В uС

ωt

uквА 0

ω мt ТC/2

uквВ 0

ω мt

uквС 0

ω мt

Т’М

2 2

1 1 u

3 3 ТМ

4 4

5 5

6 6

а а

uА u В uС

ωt

0 uквA 0

ω мt

uквВ ω мt

0 ТC/6

uквС 0

ω мt

Т’М 1 1

2 2

4 3 3 ТМ 4

5 5

6 6

1 1

2 2 б б

Рисунок 2.3 – Диаграммы формирования трѐхфазных систем квазисинусоидальных напряжений частоты fмод=7,14 Гц прямого порядка (а) и частоты fмод= 10 Гц обратного порядка (б)

Пример формирования фрагмента квазисинусоидальных напряжений uквА; uквВ; uквС на интервале ∆t приведен на рис. 2.2. Величины напряжений на фазах нагрузки (uквА; uквВ; uквС ) и нулевой точке и («звезде») нагрузки (uО) на отдельных временных интервалах t0-t1; t1t2; t2-t3 определяются выражениями (табл. 2.3). Таблица 2.3 - Величины фрагментов квазисинусоидального напряжения на фазах нагрузки на протяжении временнóго интервала t0<t<t3 (рис. 2.2) Напряжения Временные интервалы на нагрузке t0-t1 t1-t2 t2-t3 uквА (uА-uВ)/2 Um sin ωt (uА-uС)/2 uквВ (uВ-uА)/2 Um sin(ωt-2 π/3) 0 uквС 0 Umsin(ωt+2 π/3) (uС-uА)/2 Потенциал (uо) общей uА -(uА-uВ)/2 0 uА- (uА-uС)/2 точки нагрузки Приняв n=1 в выражении (2.3), можно получить системы квазисинусоидальных напряжений частоты fмод = (50/7) = 7,14 Гц прямого порядка следования в фазах и частоты fмод = (50/5) = 10 Гц обратного порядка (рис. 2.3). Таким образом, в течение одного интервала коммутации тиристоров в фазе нагрузки формируются участки напряжения сети с амплитудой U’m2 = Um. Длительность таких участков: TM2 = t3 – t0 = Tc (1-1/3),

(2.4)

где Tc – период напряжения промышленной частоты. В двух других фазах формируются отрезки напряжения сети противоположной полярности длительностью: TM1 = TM3 = t2 – t0 = t3 – t1 = 5Tc /12.

(2.5)

Их амплитуды равны между собой и составляют: U’m1 = U’m3 = Um((sin (-π/3) – sin (π/3))) = 0,866 Um

(2.6)

Для реализации фазового сдвига между напряжениями U’А ; U’В ; U’С , равного 2π/3 рад., каждый средний отрезок синусоиды в полу63

волнах обеих полярностей должен отстоять от предыдущего и последующего средних отрезков синусоиды в других фазах на интервал времени, по меньшей мере, равный: Tc /6 при несовпадении порядков чередования фаз сети и коммутатора (ТК); Tc /2 при совпадении порядков чередования фаз сети и коммутатора. Поэтому минимальная длительность комбинации включенных тиристоров составляет [24]: TM = (Tс + а Tс /6)+(n-1) Tс = Tс (n+а/6)

(2.7)

где n – число натурального ряда, определяемое количеством полуволн напряжения сети в полуволне квазисинусоидального напряжения в течение одного интервала включения комбинации тиристоров. При формировании напряжений с порядком чередования в фазах, соответствующим порядку чередования фазных напряжений сети, коэффициент а =1. В противном случае, а = – 1. Период квазисинусоидального напряжения имеет длительность TM = 6T’M =6Tc(n+a), поэтому его частота составляет: fM = 1/ TM = fc /(6n+a).

(2.8)

Выражение (2.8) является условием формирования равных в фазах и полуволнах квазисинусоидальных напряжений. При условии fc / fM = 6n -1 фазные квазисинусоидальные напряжения изменяют порядок чередования по сравнению с сетевыми (рис. 2.3б). Это свойство ТК может быть использовано для бесконтактного реверса привода горной машины. Трѐхфазные системы квазисинусоидальных напряжений некоторых фиксированных пониженных частот могут быть сформированы и при ином соотношении fc / fM (Приложение Б) [25]. Однако в этом случае не будет строго соблюдаться одинаковость форм этих напряжений в фазах и полуволнах, что ограничит область применения такого способа управления асинхронным двигателем электропривода. 2.2 Процессы в системе «тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель» при электропитании квазисинусоидальным напряжением Общее представление о характере процессов в системе ТК-АД даѐт метод гармонического анализа [26]. Будучи периодическими 64

функциями, квазисинусоидальные напряжения описываются гармоническим рядом (рис. 2.4): n uкв  k 1U m a k sin(kt  ) , (2.9) k где аk – доля амплитуды k–й гармоники в амплитуде напряжения сети Um; ψk- угол фазового сдвига k–й гармоники при ωt = 0. В частности, для напряжений частоты fM = fc/(6n±1) установлено, что при fM= 7,14 Гц: uкв = Um (0,4sin(ωt-250) + 0,23sin(5ωt-1500) + 0,37sin(7ωt+400) + + 0,04sin(11ωt-800) +…). (2.10) Для напряжений частоты fM= 10 Гц: uкв = Um (0,44sin(ωt+10) + 0,29sin(5ωt+70) + 0,26sin(7ωt-1550) + + 0,09sin(11ωt-1500) +…). (2.11) Каждая из гармонических составляющих напряжения определяет соответствующую составляющую электромагнитного момента Мi и скольжение si электродвигателя [27, 28]: 2 M ki (1  r i s ki / r r ) '

Mi 

( si / s ki )  ( s ki / si )  (2 r s s ki / r r ) '

;

si = (ω0i-ω)/ω0i ; 2

M ki 

3U фі 20 (r s 

"2 r

 ( x si  x ri)2 )

ski = rr’/ √ rs + (xsi+ x’ri)2

;

ω0i = 2πfi/p ; xsi = i xs1 ; x’ri = i x’r1 ,

;

(2.12)

где Uфi – действующее значение фазного напряжения i-й гармоники; ω0i – синхронная частота магнитного поля i-й гармоники. Результирующая механическая характеристика АД при питании квазисинусоидальным напряжением в этом случае может рассматриваться как сумма составляющих, обусловленных амплитудами и частотами соответствующих гармоник, (кривые 2, 3, 4, рис. 2.5). Сравнение результирующей 1 и естественной 5 механических характеристик АД показывает, что в рассматриваемом случае синхронная частота вращения ротора соответствует модулирующей частоте fм напряжения, а пусковой момент АД может быть существенно (примерно, в 2 раза) увеличен. Это создаѐт благоприятные условия для применения режима «kick-start» (пуск с резким кратковременным увеличением вращающего момента), в частности, при страгивании с места элементов трансмиссии загруженного конвейера.

Рисунок 2.4 – Пример анализа гармонического состава (кривые 2,3.4.5) квазисинусоидального параметра uкв (кривая 1)

Электромеханические параметры асинхронного двигателя при питании квазисинусоидальными напряжениями низких частот иллюстрируются осциллограммами, полученными при пуске скребкового конвейера с асинхронным двигателем мощностью 32 кВт с застопоренной скребковой цепью (на расстоянии 5 м от приводного барабана) при питании трѐхфазным квазисинусоидальным напряжением частоты 7,14 Гц, сформированным из полуволн трѐхфазного сетевого напряжения 380 В частоты 50 Гц (рис. 2.6). Зафиксировано, что величина установившегося растягивающего усилия (F) в застопоренной скребковой цепи конвейера при его пуске составляет 180 кН, что вдвое превышает аналогичный параметр (90 кН) при питании двигателя номинальным напряжением частоты 50 Гц. ω /ω0н

fм = 7,14 Гц

ω /ω0н

М /Мпн -2

fм = 10 Гц

-1

М /Мпн

Рисунок 2.5 - Механические характеристики асинхронного двигателя: естественная 5 и искусственные 1 и 1’ (с учѐтом ЭДС вращения АД) при квазичастотном электропитании с частотами модуляции напряжения fмод=7,14 Гц прямого порядка фаз и fмод=10,0 Гц обратного порядка фаз и составляющие характеристик 1 (кривые 2, 3, 4), соответствующие гармоническим составляющим квазисинусоидальных напряжений

1020 А

i кв.ф.

u кв.ф.

F = 180 кН

Рисунок 2.6 – Осциллограммы фазных квазисинусоидальных напряжения Uкв.ф; тока Iкв.ф асинхронного двигателя мощностью 32 кВт а также растягивающего усилия F в скребковой цепи конвейера при пуске в состоянии стопорения цепи на расстоянии 4 м от барабана; fмод=7,14 Гц; ω – параметр угловой скорости ротора АД;

Установлено: - отношение пусковых токов при формировании квазисинусоидального напряжения (fмод=7,14 Гц) и при питании АД номинальным напряжением (fм=50 Гц): ІКВ.П./ІН.П.=1,019; - отношение действующих токов АД во вращательном (Івр) и неподвижном (Іпуск) состоянии ротора при токов при формировании квазисинусоидального напряжения (fмод=7,14 Гц): Івр/Іпуск =1, 234 [15]. Таким образом, характерным признаком квазисинусоидального режима электропитания асинхронного двигателя является потребление тока, соразмерного с пусковым при номинальных параметрах напряжения сети; увеличение потребляемого тока в состоянии вращения ротора в сравнении с неподвижным состоянием. Последнее обусловлено влиянием ЭДС вращения (евр), индуктируемой на статорных обмотках двигателя (и имеет частоту 1-й гармоники квазисинусоидального напряжения), на процессы в системе «формирователь квазисинусоидального напряжения – асинхронный двигатель» (рис. 1.26): евр = І’m2(1)r2’((1-s1)/s1)sin (2πfмt- φ об),

(2.13)

В выражении (2.13) s1 – скольжение ротора двигателя в поле 1-й гармоники при частоте fм, І’m2(1) – амплитуда 1-й гармоники приведенного тока ротора; r2’– приведенное активное сопротивление ротора асинхронного двигателя, φ об – начальная фаза ЭДС вращения. Результатом еѐ воздействия на работу тиристоров ТК является смещение моментов ti их коммутации до уровней t’i (рис. 2.7 и 2.8), соответствующих интервалам фактической проводимости тиристоров с учѐтом отличий мгновенных значений напряжений и соответствующих фазных ЭДС вращения, действующих со стороны статора асинАД. Это увеличение продолжительности проводимости тиристоров при формировании 2-й и 3-й составляющих каждой полуволны квазисинусоидального напряжения обусловливает повышение тока АД при вращении ротора в сравнении неподвижным ротором (рис. 2.9): t / T АД

iкв (t )  e

(t ) t / (С   uкв e Т АД dt ) , t п L АД

(2.14)

где TАД = LАД/RАД; С=u(tп)/ZАД; tп и tк – моменты начала и окончания соответствующего интервала коммутации (проводимости) группы тиристоров; TАД ; LАД; RАД; ZАД – постоянная времени, индуктивность, активное и полное сопротивления обмоток асинхронного двигателя. u; евр, отн. ед.

евр

φ вр

u’кв

t’7 t’8 t’9 t’10 t’11 t’12

0 -1

0 t’1

t’2

t t’3

t’4 t’5 t’6

u; евр, отн. ед. uкв 1 t7 t8 t9 t10 t11 t12 0 0 t1 t2 t3

t4 t5 t6

-1

u’кв

Рисунок 2.7 – Диаграммы квазисинусоидального напряжения во вращательном (u’кв) и неподвижном (uкв) состояниях ротора АД, 1-й гармоники (u1) квазисинусоидального напряжения, фазной ЭДС вращения (евр)

0,2

0,4

0,6

t, c

Рисунок 2.8– Пример формирования фазного напряжения в сети питания АД в процессе пуска при питании квазисинусоидальным напряжением fмод = 7,14 Гц 70

uкв; iкв

iкв1

uкв

iкв3

0 а

uкв; iкв

iкв1

iкв2 uкв

iкв2

0 б

Рисунок 2.9 – Диаграммы формирования квазисинусоидального тока: ωt а – ротор АД неподвижен; б- ротор АД вращается с угловой скоростью, соответствующей частоте модуляωt ции квазисинусоидального напряжения

i кв.ф.

u кв.ф.

iкв3

0,01 с ω.

Рисунок 2.10 – Осциллограмма фазных квазисинусоидальных напряжения и тока АД; угловой скорости (ω) ротора АД, иллюстрирующая диаграммы рис. 2.9

Составляющие магнитодвижущей силы (МДС) двигателя (рис. 2.11) могут быть представлены в двумерной системе координат («Х»; «Y») как функция статорных токов Ia, Ib, Ic с учѐтом параметра w – количество витков статорной обмотки: Iwx:=Ib*w*cos(π/6)-Ic*w*cos(π /6); Iwy:=Ia*w-Ib*ω*cos(π /3)-Ic*3*cos(π /3),

(2.15) (2.16)

Iwy, отн. ед.

Iwх,

отн. ед.

t,c

Рисунок 2.11 – Диаграммы формирования составляющих МДС Iwy, Iwх АД при питании квазисинусоидальным напряжением Траектория вектора МДС, модуль которого равен:

Iw  ( Iw) 2y  ( Iw) 2x , а угол -

І пуск

Рисунок 2.12 - Траектория вектора результирующей МДС АД при питании квазисинусоидальным напряжением 72

  arctg ( Iw y / Iwx ) , приведена на рис. 2.12, следовательно, вращательное движение модуля МДС сопровождается значительными колебаниями. Это создаѐт соответствующее воздействие на динамику движения ротора в виде составляющей переменного момента на валу двигателя.

2.3 Принципы построения формирователей квазисинусоидального напряжения Поскольку электропитание асинхронного двигателя квазисинусоидальным напряжением осуществляется чередованием комбинаций включаемых тиристоров, основу системы управления ТК составляют распределители импульсов. Для понижения частоты напряжения в k = 6±1 раз в системе управления тиристорами должны быть предусмотрены функции повышения частоты промежуточных импульсов в 6 раз с последующим еѐ делением в k раз при формировании выходных импульсов управления. Схема устройства управления, формирующая напряжения (рис. 2.3), представлена на рис. 2.13 [29]. В ней импульсы U3 (рис. 2.14) с периодом следования π/6 рад., синхронизированные с сетью посредством трансформатора 2, поступают с выхода трансформатора 14 формирователя 3 на тактирующий вход Т делителя 4. Их передние фронты совпадают с моментами равенства напряжений двух фаз трѐхфазной сети. Коэффициент деления делителя равен отношению частоты сети к частоте формируемого квазисинусоидального напряжения. А

А' 15

7 8

9 3

6 13 5 10

Рисунок 2.13 – Схема формирователя трѐхфазной системы квазисинусоидальных напряжений по авт. свид. СССР №1173505 73

uB uC

u 0

U3 U4 0 0

U5.1 0 U5.2 U5.3 0 U5.4 U5.5 0 U5.6 uA’

uB’ 0

uC’ 0

Рисунок 2.14 – Диаграмма напряжений функциональных узлов устройства по рис 2.13 (формирователя трѐхфазной системы квазисинусоидальных напряжений) С k -го выхода последнего каждый k-й импульс U4 поступает на шестиканальный кольцевой реверсивный распределитель импульсов 5 (его выходные импульсы U5.1 – U5.6). Нуль-орган 9 своим входом соединѐн с выходом переключения моментов синхронизации 8, а выходом - с входом триггера 10, устанавливаемого в нулевое состояние при наличии напряжения питания. Прямой выход Q триггера 10 подключен к разрешающему входу R делителя 4 частоты. Приняв команду о включении в работу ТК 1, нуль-орган 9 совместно с триггером 10 подаѐт разрешение на работу делителя 4 частоты в заданный момент времени τ (рис. 2.15), когда мгновенные значения напряжений сети имеют строго определѐнное значение (этим производится синхронизация момента включения в работу ТК). Изменяя с помощью переключателя 8 моментов синхронизации заданные моменты времени τ , можно получить различный гармонический состав и величины выходных квазисинусоидальных напряжений uA’, uB’, uC’ при неизменной частоте их модуляции. 74

В зависимости от порядка чередования фазных напряжений сети напряжение («ноль», либо «единица») с выхода исполнительного органа 24 фазового анализатора 7 на вход реверса шестиканального распределителя 5 будет подаваться команда на прямой или обратный порядок переключения его каналов. Благодаря этому сохраняется неизменным требуемый гармонический состав выходных напряжений uA’, uB’, uC’ тиристорного коммутатора (1) и привязка их чередования в фазах чередованию фазных напряжений сети.

uA’

uB’

uC’

uA’

τ1

uB’

uC’ uA’

τ2

uB’ uC’

τ3

Рисунок 2.15 – Формы фазных квазисинусоидальных напряжений в зависимости от момента времени τ включения в работу тиристорного коммутатора (по рис. 2.13) 75

С каждого из шести выходов распределителя 5 снимаются импульсы управления U5.1 – U5.6, порядок следования которых определяется фазовым анализатором 7, а длительность равна двум периодам работы делителя 4 или может равняться трѐм периодам его работы. Каждый из импульсов управления поступает на соответствующий канал 15 выходного усилительно-развязывающего узла 6, где отпирает ключевой транзистор 18. При этом, с вторичной обмотки соответствующего выходного трансформатора 17 снимается пакет отпирающих импульсов, поступающих с выхода генератора 16. Длительность этого пакета совпадает с длительностью импульса управления соответствующего канала распределителя 5. Отпираемые таким образом тиристоры ТК формируют на нагрузке систему трѐхфазных квазисинусоидальных напряжений (рис. 1.14; рис. 1.15). Помимо управления моментом включения в работу ТК, величину квазисинусоидального напряжения можно изменять и методом фазового регулирования (рис. 2.16, рис. 2.17) [30]. В этом случае передние фронты выходных импульсов шестиканального распределителя 11 можно будет задерживать на фазовый угол α синхронизированным с работой k-канального делителя 10 частоты фазосдвигающим устройством 15; 13, функционирующим на основе сравнения величин пилообразных импульсов с регулируемым опорным напряжением. А

6fc

13 A’

C’

k-1 k

B’

Рисунок 2.16 – Схема адаптации узлов импульсно-фазового регулирования с устройством формирования квазисинусоидальных напряжений по авт. свид. СССР № 1288856 76

Рисунок 2.17 – Диаграммы напряжений функциональных узлов устройства по рис. 2.16 (индексы параметров напряжения соответствуют номерам функциональных узлов устройства по рис. 2.16) 77

2.4 Управление разгоном электропривода в системах электропитания квазисинусоидальным напряжением Примером приемлемых объектов применения формирователей квазисинусоидальных напряжений для управления асинхронным двигателем являються электроприводы шахтных скребковых конвейеров. В этом случае может быть исключена необходимость применения гидромуфт в составе приводных блоков конвейера, а пуск может быть осуществлѐн с кратковременной ступенью пониженной скорости при одновременном двукратном увеличении электромагнитного момента двигателя. К положительным эффектам здесь может бать обнесено повышение надѐжности пуска (исключение несостоявшегося пуска) згруженого скребкового конвейера, обеспечение безопасности эксплуатации конвейера в стеснѐнных условиях очисного забоя шахты за счѐт исключения интенсивного разгона скребковой цекпи. Кроме этого, чередованием напрявления движения рабочего органа конвейера при поочерѐдной подаче квазисинусоидальных напряжений частот модуляции fM=fc/(6n+1) и fM=fc/(6n-1) может быть достигнут эффект автоматической расштыбовки конвейера при стопорении тяговой цепи. Этим целям соответствует способ пуска скребкового конвейера, основанный на изменении действующего значения трѐхфазного синусоидального напряжения от минимального до номинального значения, при котором предварительный разгон двигателя производят в два этапа, после чего производят окончательный разгон [31]. На первом этапе формируют квазисинусоидальное напряжение пониженной частоты с плавным регулированием его действующего значения, а на втором – продолжают электропитание двигателей конвейера этим же напряжением с фиксированным (максимальным) его уровнем. Этому соответствует диаграмма скорости электропривода (рис. 2.18). В соответствии с диаграммой, плавное нарастание скорости двигателя (интервал t1-t2) обеспечивает приемлемый динамический режим выбора кинематических зазоров. По истечении времени t2 процесс регулиования величины квазисинусоидального напряжения питания АД завершается, и двигатель продолжает работу на малой скорости до момента t4. На отрезке t2 – t3 происходит вытягивание тягового органа (скребковой цепи), после чего начинается его движение на концевом (натяжном) барабане конвейера. 78

vдв 0

vто t1 t2

Рисунок 2.18 – Диаграмма скорости двигателя vдв и тягового органа vто скребкового конвейера при реализации пуска с кратковременной ступенью пониженной скорости по авт. свид. СССР № 1221094 Перевод асинхронного двигателя с электропитания квазисинусоидальным напряжением на питание номинальным напряжением предполагает выполнение специального алгоритма переключения групп тиристоров ТК. Это обусловлено тем, что процесс переключения частот напряжения с fмод=7,14 Гц на fм=50 Гц характеризуется ненулевыми начальными условиями, поскольку включение последующего режима электропитания двигателя происходит при наличии магнитного потока, определяемого предыдущим режимом [32]. В результате взаимодействия двух одновременно протекающих переходных процессов в двигателе возникает переходный момент, что приводит к ударному эффекту в момент переключения напряжений uф с квазисинусоидального (частоты 7,14 Гц) на номинальное напряжение сети промышленной частоты (рис. 2.19): m







kr Im 1s  2r  Im  2 s 1r X s

 .

(2.17)

где k r  X o X r - коэффициент связи ротора;   1  k s k r - полный ко-

эффициент рассеяния; k s  X o X s ;  s'  Rs  X s  ;  s'  Rr  X r ;

1s ;  2 s ; 1r ;  2 r - векторы переходных потокосцеплений, соответственно, статора и ротора предыдущего и последующего режимов электропитания двигателя. 79

0,2c

0,75c-1

3,5c-1

uф

t Рисунок 2.19 – Осциллограммы переходного процесса разгона асинхронного двигателя КОФ-32 при переключении режимов электропитания с квазисинусоидального напряжения f1 = 7,14 Гц на напряжение частоты сети f2 = 50 Гц (ω – угловая скорость ротора двигателя)

Задача устранения ударных моментов при ступенчатом переключении частот напряжения электропитания асинхронного двигателя в разомкнутых системах управления полупроводниковыми преобразователями решается путѐм фазонаправленного включения последующего режима электропитания. При равенстве по модулю и совпадении по фазе векторов начальных и последующих (установившихся) потокосцепления статора (ротора) величина переходного момента асинхронного двигателя будет равна нулю [33]. Таким образом, разгон АД от фиксированной уменьшенной угловой скорости (питание квазисинусоидальным напряжением) до номинальной должен выполняться путѐм подачи на двигатель трѐхфазных систем напряжений в последовательности частот: fм/fмод=7; fм/fмод=4; fм/fмод=3; fм=50 Гц. Для формирования напряжения последующего режима используются комбинации включенных тиристоров, имеющие место в предыдущем режиме, переключаемые с более высокой частотой (по сравнению с предыдущим режимом). Так, первая комбинация включенных тиристоров последующего режима одновременно является последней комбинацией включенных тиристоров предыдущего режима (рис. 2.20, рис. 2.21); Приложение В) [34]. 80

U5 U6

U3 U4

U1 U U2

0 0

квВ

uквВ

fм /fмод=7 uuквС квС

uuквА квA

fм /fмод=4 fм /fмод=3 fм = 50 Гц Рисунок 2.20 – Диаграммы формирования выходных напряжений тиристорного регулятора при переводе АД с квазичастотного режима на работу при питании номинальным напряжением сети

u uA

ωt

ω 3,50c-1

6,08c-1

а f3

8,17c

-1

8,17c-1

6,42c-1

в Рисунок 2.21 – Осциллограммы переходного процесса разгона асинхронного двигателя КОФ-32 при переключении режимов электропитания с квазисинусоидального напряжения f1 = 7,14 Гц – f2 = 12,5 Гц f3 = 16,67 Гц на напряжение частоты сети f4 = 50 Гц в соответствии с алгоритмом по авт. свид. СССР № 1517107, рис. 2.20 (ω – угловая скорость ротора асинхронного двигателя)

3 ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ГОРНЫХ МАШИН ОТ ДИНАМИЧЕСКИХ ПЕРЕГРУЗОК 3.1 Принципы выявления динамических перегрузок горных машин Динамические перегрузки электроприводов горных машин, как правило, обусловлены стопорением рабочих органов, что создаѐт опасность их повреждения и обусловливает необходимость применения быстродействующих средств защиты. Первой фазой защитной функции является выявление состояния динамической перегрузки электропривода. Построение защиты может быть основано на анализе таких параметров, как скорость перемещения элементов электропривода (в частности, угловая скорость вала приводного двигателя), а также ток, потребляемый приводным двигателем (как функция его угловой скорости). Принцип выявления состояния замедления движения вала электродвигателя или другого исполнительного элемента электропривода реализуется схемой (рис.3.1) и поясняется диаграммой напряжений еѐ функциональных элементов (рис. 3.2) [35; 36]. В случае применения индуктивного датчика 2 приближения процесс вращения зубчатого колеса 1 (на валу двигателя или другого исполнительного элемента электропривода) будет представлен прямоугольными импульсами Uвх1 его выхода. Постоянной угловой скорости колеса 1 соответствует состояние, когда продолжительность tі импульса Uвх1 будет равна продолжительности tп последующей паузы между импульсами. Таким образом, в случае возникновения замедления вала с зубчатым колесом 1 продолжительность tп каждой паузы за период tΣt частоты импульсов Uвх1 будет превышать 0,5 tΣt, поскольку в этом случае tп>tі. Поэтому, условием формирования команды Uвых на защиту электропривода от динамической перегрузки является состояние, когда tп>0,5 tΣt. Принцип действия устройства выявления динамической перегрузки электропривода состоит в формировании сигналов, пропорциональных временным интервалам tп и 0,5 tΣt и сравнении их между собой. В частности, параметром, пропорциональным продолжительности паузы tп и периоду tΣt. импульсов могут быть амплитуды линейно нарастающих напряжений, соответственно, U3 и U1, формируемых интеграторами A2 и A1 (рис. 3.1). 83

Uвх1

Uвх2

U3 ==

DA1

VD1 C1

Uвых

U1 D2

R1 R2

Рисунок 3.1 – Схема устройства ускоренного выявления динамической перегрузки электропривода

Uвх1 t Uвх2 tп

tі

t Uвых

tΣt Рисунок 3.2 – Диаграмма напряжений устройства выявления динамической перегрузки электропривода 84

На интервале паузы tп инвертор D1 формирует импульс Uвх2, который является условием формирования напряжения U3. Формирование напряжений U1 на интервалах периода tΣt осуществляется при условии сбросов интегратора А2 в моменты начала каждого периода импульсов Uвх1. Это выполняется путѐм формирования кратковременных импульсов звеном дифференциатора R1С1 с последующим их инвертированием (инвертор D2) и подачей на вход интегрирующего устройства А2. Импульс линейно нарастающего сигнала U3 на резисторе R2 делителя напряжения R2R3 будет преобразован в импульс такой же формы, уменьшенный по амплитуде вдвое (U2). Поскольку амплитуда импульса U1 соответствует продолжительности периода tΣt, то амплитуда импульса U2 соответствует продолжительности половины этого периода (0,5tΣt). Таким образом, сравнение мгновенных значений величин импульсов U2 и U 3 в компараторе DА1 предполагает выявление состояния: U3>U2. В этом случае на выходе компаратора DА1 будет сформирована команда Uвых на срабатывание защиты электропривода от динамической перегрузки. Преимуществом рассмотренного способа является быстродействие определения динамической перегрузки электропривода. Тем не менее, его применение может оказаться невозможным, если конструкция технологической установки не предусматривает возможности установки датчика угловой скорости приводного электродвигателя или иных скорости исполнительных элементов привода. В качестве информационного сигнала о состоянии нагрузки электропривода может рассматриваться величина электрического тока, потребляемого двигателем, как параметр, функционально зависимый от величины угловой скорости. Обработка защитной функции может быть настроена в зависимости от скорости увеличения тока, потребляемого двигателем привода. Принцип действия устройства выявления токовой перегрузки электропривода поясняется электрической схемой и диаграммой напряжений еѐ элементов (рис. 3.3 и 3.4) [37]. Действие устройства защиты состоит в определении продолжительности времени Δt прохождения электрическим параметром Uвх, пропорциональным току электродвигателя двух фиксированных уровней опорного напряжения U1 и U2 и сравнении этого времени (Δt) с временными интервалами, характерными для определѐнных видов токовой перегрузки, а именно короткое замыкание в кабеле питания электродвигателя (интервал Δt1), перегрузка вследствие наброса по85

вышенного момента сопротивления (стопорение - интервал Δt2-Δt1), перегрузка вследствие плавного увеличения момента сопротивления (интервал Δt3-Δt2).

Uвх == U2

DA1

D1 D2

& &

DA2

D3 &

D4 &

D6 G2

U5 G3

Рисунок 3.3 – Схема устройства выявления перегрузки электропривода (по контролю скорости увеличения потребляемого тока) Поскольку результатом выявления стопорения электропривода должно быть не только отключение его двигателя, но и торможение, устройство выявления перегрузки должно выделять сигнал о стопорении (динамическая перегрузка) среди других процессов, сопровождаемых увеличением потребляемого тока, а именно: короткое замыкание; плавная перегрузка. В соответствии с этим вводятся диапазоны изменения производной (DІ) тока по параметру времени, соответствующие короткому замыканию ΔDІк; стопорению ΔDІс; плавной перегрузке ΔDІп. Соотношение этих диапазонов должно удовлетворять выражению (при DІ1>DІ2>DІ3): - для ΔDІк: ∞>DІ≥DІ1; - для ΔDІс: DІ1>DІ≥DІ2; - для ΔDІп: DІ2>DІ≥DІ3, 86

где DІ1; DІ2; DІ3 – минимальные интенсивности повышения тока электродвигателя, соответствующие состояниям: короткого замыкания; стопорения; плавно увеличивающейся перегрузки электропривода.

Uвх U2

Uвх1

Uвх2

Uвх3

U1 t U3

Δt1

t Δt2

Δt3

t t

Рисунок 3.4 – Диаграмма напряжений устройства выявления перегрузки электропривода (по схеме, рис. 3.3) Устройство реализации этого принципа содержит два компаратора DA1 и DA2 с порогами срабатывания U2 и U1 (U1<U2). Входным сигналом является напряжение Uвх, пропорциональное току, потребляемому АД привода. Первая производная (DUвх) этого напряжения го тока) по параметру времени пропорциональна параметру DІ. Превышение 87

входным сигналом Uвх порога U1 будет приводить к срабатыванию средств задания фиксированных временных интервалов. Этими устройствами, в частности, могут быть одновибраторы G1; G2; G3, продолжительности Δt1; Δt2; Δt3 выходных импульсов которых (U3; U4; U5) находятся в соотношении: Δt1<Δt2<Δt3 . Разность ΔU между порогами срабатывания U2 и U1 компараторов DA1 и DA2 однозначно определяет заданную величину приращения входного напряжения или тока пропорциональной величины в контролируемом присоединении приводного электродвигателя. Поэтому величины U2; U1; Δt1; Δt2; Δt3 в совокупности характеризуют заданные граничные значения параметра DІ, или пропорциональной ему величины параметра DUвх : (U2 - U1) / Δt1 = ΔU/ Δt1 = DUвх 1; (U2 - U1) / Δt2 = ΔU/ Δt2 = DUвх 2; (U2 - U1) / Δt3 = ΔU/ Δt3 = DUвх 3.

(3.1)

Таким образом, увеличение входного параметра ΔU в течение времени, меньшее, чем Δt1 свидетельствует о появлении короткого замыкания в контролируемом силовом присоединении приводного двигателя. Этому состоянию соответствует формирование «единицы» U6 на выходе элемента «И» D1. Сигнал о стопорении исполнительного органа привода должен быть сформован при наличии импульса U4 при условии отсутствия импульса U3, т.е., если интенсивность изменения контролируемого параметра будет находиться в пределах: (U2 - U1) / Δt1 > DUвх ≥ (U2 - U1) / Δt2

(3.2)

Аналогично этому, сигнал о плавной перегрузке приводного двигателя будет сформирован при условии наличия импульса U5 при отсутствии импульса U4, т.е., интенсивность увеличения тока І приводного двигателя и пропорционального ему параметра Uвх должна находиться в пределах: (U2 - U1) / Δt2 > DUвх ≥ (U2 - U1) / Δt3

(3.3)

Подобный алгоритм может быть реализован и в случае, если входным сигналом будет не параметр, пропорциональный току электродвигателя, а параметр, пропорциональный непосредственно деформации элементов рабочего органа горной машины [38]. 88

3.2 Процессы в системе ТК-АД при индукционнодинамическом торможении асинхронного двигателя В связи с высокой интенсивностью роста усилий в элементах привода при стопорении практической актуальностью обладает задача реализации интенсивного торможения асинхронного двигателя по команде устройства выявления перегрузки (стопорения). Эффективность процесса динамического торможения АД в значительной степени определяется величиной постоянного (выпрямленного) тока (IТ) в фазах его статора:

КТ



3I Г2 x02 20 ( x0  xr ) '

(3.4)

где МКТ – критический (максимальный) момент АД в режиме динамического торможения, IT – эквивалентное значение тормозного тока в цепи статора АД, ω0 – синхронная угловая скорость ротора АД, х0 – индуктивное сопротивление цепи намагничивания АД, xr' – приведенное индуктивное сопротивление ротора АД. Величина этого тока IT обусловлена напряжением, подведенным к статору и величиной ЭДС вращения, индуктируемой в обмотках статора вращающимся полем токов ротора. Важным обстоятельством является то, что, если полярность ЭДС вращения АД будет совпадать с полярностью приложенного к статору напряжения, еѐ действие будет направлено на уменьшение величины тормозного тока. Это будет определяться разностью потенциалов мгновенных значений подведенного напряжения и ЭДС вращения, и приводить к уменьшению интенсивности замедления вращения ротора. Таким образом, эффективное динамическое торможение асинхронного двигателя может происходить при условии отсутствия в его статорных обмотках обратной ЭДС вращения. Эффективность способа индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя состоит в устранении упомянутой ЭДС вращения (в начале тормозного процесса), при котором создаются значительные по амплитуде импульсы тормозного тока. В горной промышленности режим индукционно-динамического торможения применяется для плавной остановки электроприводов бремсберговых ленточных конвейеров, экстренной остановки электроприводов некоторых других горных машин. Процесс индукционно-динамического 89

торможения создаѐтся силовой тиристорной схемой в цепи статора АД в соответствии с рис. 3.5 и предусматривает чередование состояний динамического (ДТ), индукционного (ИТ) и, собственно, индукционно-динамического (ИДТ) торможения двигателя [15, 39]. VS1 U

VS3 1

VS2 1 VS1 1

М1

rr’

xr’

r0 VS3 1

U VS2 1

rr’(1-s)/s

x0 eв

б Рисунок 3.5 – Схема включения (а) и схема замещения (б) асинхронного двигателя в режиме индукционнодинамического торможения Ток динамического торможения создаѐтся посредством подачи на статор через тиристоры VS1 и VS2 полуволн линейного напряжения UАВ сети. Эффект индукционного торможения создаѐтся при замыкании через тиристор VS3 ЭДС вращения (eв) ротора АД:

e  1/ 3 p L 2 i  в

s k 1





 isk  Lr 2 ir k 1  irk



(3.5)

где p – число пар полюсов асинхронного двигателя; is; ir – токи статора и ротора; L0 – индуктивность главного магнитного поля в расчѐте на фазу асинхронного двигателя. Процесс индукционно-динамического торможения иллюстрируется осциллограммами (рис. 3.6) и диаграммами (рис. 3.7) соответствующих параметров асинхронного двигателя и питающей сети.

ImДТ max

ImДТ уст

ImИТ max (460 A) 0,02с

ев

Umн

Рисунок 3.6 – Осциллограммы тока статора, фазных напряжения сети (Umн = 220*√2, В) и ЭДС вращения, индуктируемых в статоре АД типа КОФ-32 в процессе индукционно-динамического торможения ротора (угол отпирания тиристоров цепи (VS1, VS2, рис. 3.5б) динамического торможения α = 110 0) uAB; eв ; iТ

Im ИДТmax 0,02c

Im ДТвст

Im ИТmax іГ u

Im ДТ Im ИТ

u ев

UmAB t

0 α

Рисунок 3.7 – Диаграммы формирования тока статора асинхронного двигателя в процессе его индукционно-динамического торможения

На интервалах динамического торможения полярности uAB и eвАВ одинаковы. При этом uAB >eвАВ . Начало ДТ определяется углом отпирания α тиристоров VS1 и VS2, а окончание – углом их проводимости β. Тормозной ток i определяется разностью между мгновенными значениями uAB и eвАВ .

i r  L di / dt  u  e T

в ( AB )

;

(3.6)

где rн; Lн – общие активное сопротивление и индуктивность цепи протекания тормозного тока; uAB = UmAB sinωt. На интервале индукционного торможения тиристор VS3 находится в проводящем состоянии, в то время, как тиристоры VS1 и VS2 – в непроводящем. Величина тормозного тока iТ определяется мгновенными значениями ЭДС вращения двигателя (eв ).

i r  L di / dt  e T

в ( AB )

;

(3.7)

На каждом i-м интервале динамического (ДТ) и индукционного (ИТ) торможения величина ЭДС вращения определяется соответствующими еѐ амплитудой (Евmi) и начальной фазой (  ):

E  I r 1  s  / s  ; eвi  Eвmi sinbi t   , в

(3.8) (3.9)

где ωвi = ω0(1-s) – угловая частота ЭДС вращения, соответствующая i-му интервалу торможения, уменьшается в пределе - до нуля. По мере снижения угловой скорости асинхронного двигателя уменьшаются амплитуда и частота его ЭДС вращения, и наступает состояние, когда полярности uAB и eв будут различными. В этом случае тиристоры VS1; VS2; VS3 будут находиться в открытом состоянии, а тормозной ток двигателя iТ будет определяться суммой абсолютных величин мгновенных значений uAB и eв (интервал ИДТ):

i r  L di / dt  u T

 eв ( AB ) .

(3.10)

Выражения (3.5; 3.6; 3.9) решаются поэтапно, в порядке появле92

ния интервалов с характерными, рассмотренными выше состояниями торможения. При этом учитываются соответствующие начальные условия, величина и частота ЭДС вращения асинхронного двигателя. Их решением является следующее выражение: t / iT t   e T

tK   t /T H  C  u (t ) / ;  dt LH e    tп  

(3.11)

где tп; tк – моменты начала и окончания соответствующего интервала торможения, С=u(tн)/zн; ТН – постоянная времени обмоток ротора двигателя (Тн= Lн/rн). При отсутствии тока через VS1 и VS2 и полярности ЭДС вращения асинхронного двигателя, положительной относительно катода тиристора VS3, ток в последнем определяется величиной ЭДС самоиндукции асинхронного двигателя:

iТ (t )  iT (tпі )e t /Tн ,

(3.12)

где tпі – момент начала упомянутого выше і-го состояния. На каждом из интервалов тормозного процесса (на каждом из этапов решения уравнений (3.5; 3.6; 3.9) следует учитывать изменение параметров ЭДС вращения асинхронного двигателя, индуктируемой в статоре. Еѐ временные параметры (снижающаяся частота, возрастающий период следования) определяется параметром скольжения s ротора двигателя и могут быть найдены из выражения:

t

J ( s ln s  s 2s 2M



)

(3.13)

где ΔtТ – продолжительность i-го интервала торможения АД; s=sначsкон; sнач и sкон – скольжение ротора АД в начале и конце i-го интервала торможения; sкТ – критическое тормозное скольжение ротора АД (sKT = rr'/(x0+xr’)), J – момент инерции ротора асинхронного двигателя. Значения критического тормозного момента (3.6) определяются для каждого конкретного интервала торможения. Величина ЭДС вращения асинхронного двигателя снижается по экспоненте с интен93

сивностью, определяемой электромеханической постоянной времени двигателя ТМ= Jω0/МКТ. На рис. 3.8 представлены кривые изменения токов ImИТ и ImДТ * (ImИТ = ImИТ /ImИТmax) и (ImДТ* = ImДТ /ImДТmax) при различных значениях коэффициентов q и h, полученные потѐм компьютерного моделирования, а на рис. 3.9 – экспериментально полученные зависимости Im * * max (α); Im уст (α); q (α); h (α) и аппроксимирующие их кривые. Установлено [15], что процесс снижения амплитуды тока (рис. 3.8) индукционного торможения ImИТ (и амплитуды ЭДС вращения АД, индуктируемой в статоре) описывается уравнением:  q /( 0,1hx)1,7

ImИТ = ImИТmax (1  e

)

(3.14)

где х – безразмерная величина, пропорциональная текущему времени режима индукционно-динамического торможения (х=2887t). Коэффициенты q и h находятся в функциональной зависимости от величины угла α (эл. град.) отпирания тиристоров VS1 VS2. Коэффициент q определяет общую интенсивность изменения токов индукционного и динамического торможения: q = 715(4,5E-0,2+(1E-0,6)α2+(1E-10)(1,43α)4).

(3/17)

Кривая изменения тока индукционного торможения – пологая в начале и конце торможения. Коэффициент h определяет начало интенсивного снижения тока индукционного торможения: h = 0,113+(1E-12)α2+(3E-11)(α/130)(1,67α)4.

(3.18)

Из анализа диаграммы формирования тормозного тока (рис. 3.7) следует, что начальная амплитуда тока ИТ определяется величиной начальной ЭДС вращения АД и поэтому не зависит от α. По мере снижения ЭДС вращения АД расширяются интервалы проводимости тиристоров VS1, VS2. В результате, ток ДТ возрастает. Процесс увеличения амплитуды тока ДТ описывается уравнением:

ImДТ = ImДТmax (1-e-x/q) 94

(3.19)

ImДТ2*

ImДТ1*

1,0

0,5 ImИТ1* ImИТ2*

0 0,05

0,1

t, c

Рисунок 3.7 – Диаграммы изменения амплитуд токов индукционного и динамического торможения АД КОФ-32 (индекс 1: h=0,13; α = 110 эл. град.; q=80; индекс 2: h=0,114; α = 20 эл. град.; q=30) h ; q/715 .

Im*

. 0,20 1,0

Im. max* I.m уст*

0,12

0,6 q.

h 0,04

0,2 20

100

α, эл. град.

Рисунок 3.8 – Параметры индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя в функции угла отпирания тиристоров VS1, VS2 (рис. 3.5б) цепи тока динамического торможения Максимальная амплитуда тока динамического торможения зависит (рис. 3.9) от угла α управления тиристорами VS1, VS2: ImДТmax/ ImИТmax = Im max*=1,37-(1,4Е-0,5)α2-(1Е-10)(2α)4. 95

(3.20)

По мере затормаживания ротора АД ЭДС вращения, смещаясь по фазе, переходит в противофазу с напряжением сети. Этому состоянию соответствует максимальная амплитуда тока динамического торможения, который по мере дальнейшего снижения величины ЭДС вращения АД уменьшается до установившегося значения: ImДТуст/ ImИТmax = Im уст*=1,26-(5Е-0,5)α2 .

(3.21)

По окончании гашения обратной ЭДС вращения асинхронного двигателя его тормозной ток будет определяться только проводящим состоянием тиристоров VS1; VS2 с учѐтом угла α их фазового регулирования. Таким образом, процесс индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя реализуется относительно простой схемой ТК, позволяет ускоренно получить высокий тормозной ток в статоре АД в установившемся режиме за счѐт эффективного подавления ЭДС вращения, при этом в процессе такого подавления использовать ЭДС вращения для создания первоначальных высоких импульсов тормозного тока (индукционного торможения). В зависимости от величины угла α отпирания тиристоров VS1; VS2 продолжительность замедления ротора асинхронного двигателя средней мощности может варьироваться от десятых долей секунды до нескольких секунд. Техническая реализация рассмотренного принципа применена в различных устройствах, в частности, в аппарате управления торможением электропривода горной машины АТЭМ (рис. 3.10) [40]. В этом устройстве предусмотрены фиксированные уставки продолжительности торможения электропривода скребкового конвейера: 0,15 с; 0,5 с; 0,8 с; электропривода ленточного конвейера: 16 с; 32 с.; 64 с. В процессе работы команда на торможение асинхронного двигателя электропривода формируется при отключении основного контактора КМ1. В этом случае схема аппарата реализует следующий алгоритм: - включение контактора КМ2 цепи торможения; - определение отсутствия тока в силовой цепи контактора КМ1 (задействованы датчики тока ТА1 и ТА2, блок реле БР1); - формирование временной задержки на начало торможения и дальнейшее отпирание тиристоров VS1 и VS2 с заданными величинами фазовых улов α отпирания.

Рисунок 3.10 – структурная схема аппарата АТЭМ управления торможением электропривода горной машины Задержка времени на начало процесса индукционнодинамического торможения необходима для исключения условий создания цепи короткого замыкания в случае отпирания тиристора VS2 при налички тока в цепи контактора КМ1. Функция создания фазовых улов α отпирания тиристоров VS1 и VS2 выполняется совместной работой блока синхронизации (БС) схемы фазового управления с фазными напряжениями сети и блоков управления БУ1 и БУ2. Формирование импульсов, которые непосредственно поступают на цепи управления тиристоров производится блоками формирования импульсов (БФІ1 и БФІ2). Эти же блоки реализуют функцию гальванической развязки силовых цепей электропитания приводного двигателя и цепей блоков управления. Режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя реализуется так же схемой аппарата АПМ-1 (рис. 1.39) при управлении снижением скорости рабочего органа привода ленточного бремсбергового конвейера перед наложением механических тормозов [1, 17].

4 ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОПРИВОДА ОТ НЕПОЛНОФАЗНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, ДУГОВЫХ И КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ 4.1 Процессы в электроприводе при неполнофазном электропитании и принципы защиты При контакторной коммутации неполнофазный режим характеризуется отсутствием присоединения к питающей сети одной фазы асинхронного двигателя. В связи с этим не может быть создан вращающий момент, две фазы двигателя обтекаются пусковым током, что может привести к быстрому перегреву и повреждению машины. Особенности применения тиристорных регуляторов напряжения касаются и особенностей возникновения и протекания ненормальных режимов работы, относящихся к специфике функционирования системы ТК-АД, выявление которых должно приводить к немедленному отключению двигателя. К числу таких режимов следует отнести неполнофазное электропитание асинхронного двигателя из-за неотпирания одного из тиристоров ТК. Вероятность такого случая весьма невелика, поскольку тиристор отличается высокой надѐжностью работы. Однако, поскольку существует вероятность возникновения такого режима, он должен быть рассмотрен. Учитывая, что тиристорный регулятор напряжения, а в общем случае, тиристорный коммутаор, формирует на выходе напряжения, отличающиеся по форме от синусоидальных фазных напряжений сети, факт невключения одного из его тиристоров может быть зафиксирован в результате сопоставления выходных параметров напряжения контролируемой схемы силового ТК (Uвых) и аналогичной схемы (Uоп) слаботочного ТК [41]. В случае одинаковых выходных параметров их разность (Uр) будет равна нули. При отказе одного или нескольких тиристоров силовой схемы ТК разность контролируемых параметров будет существенна и выявлена (Uз) узлом сравнения (рис.4.1). На данном рисунке представлены диаграммы работы устройства, реализующего указанный способ, где сравниваемые параметры (Uвых и Uоп) являются переменной составляющей выпрямленных систем трѐхфазных напряжений выхода контролируемой силовой схемы ТК и выхода аналогичной схемы слаботочного ТК (при работе ТК в режиме формирователя квазисинусоидального трѐхфазного напряжения фиксированной пониженной частоты). Действие такого способа охваты98

вает весь круг вопросов, когда форма трѐхфазной системы напряжений на выходе силового ТК отличается от синусоиды. Однако способ не распространяется на случай, когда на выходе ТК формируется трѐхфазная система синусоидальных напряжений и при этом один из тиристоров ТК не включается в работу. В случае, если отказ ТК приходится на состояние вращающегося ротора асинхронного двигателя, подключенного к ТК, то обратная ЭДС этого двигателя, будучи трѐхфазной и синусоидальной, будет воспринята устройством защиты как выходной параметр ТК, работающего в нормальном режиме, что не приведѐт к срабатыванию защиты. Кроме этого, следует учитывать эффект искажения формы вторичного тока трансформатором тока при отклонении формы тока в контролируемом присоединении от синусоиды [42]. Uвых

Uоп 0

Uр 0

Uз 0 t1

Рисунок 4.1 – Диаграмма параметров функциональных узлов устройства выявления неполнофазной работы тиристорного коммутатора в режиме формирования трѐхфазных напряжений, отличных по форме от синусоиды (по авт. свид СССР № 1196997) Подобный отказ весьма опасен для асинхронного двигателя, особенно, на этапе его пуска и разгона. В отличие от этого, неполнофазный режим в случае неотпирания одного тиристора ТРН характеризуется сменяющими друг друга с частотой сети состояниями трѐх99

фазного и двухфазного электропитания двигателя. Наибольшую опасность этот процесс представляет на интервале пуска. В этом случае двигатель с частотой сети переключается из двигательного режима (точка «А») в режим динамического торможения (точка «В»), поскольку в течение полупериода трѐхфазного электропитания асинхронного двигателя не успевает выйти на достаточно высокую угловую скорость ω (рис. 4.2 рис. 4.3) [1, 43]. uA

Uсети

uA uвых

u’A

ωt u’C

u’B

ωt

t2 t3

3-фазное питание

2-фазное питание

Рисунок 4.2 – Диаграммы формирования фазных напряжений выхода ТРН при невключении одного из его тиристоров (а) и механические характеристики асинхронного двигателя (б) в процес-се розгона при отсутствии проводимости одного из тиристоров ТРН Контроль состояния силовых тиристоров VS1; VS2 фазы тиристорного коммутатора может бать осуществлѐн подключением параллельно к ним цепей с реагирующими элементами (К1; К2) через дополнительные тиристоры VS3; VS4 (рис. 4.4) [44]. Схема предусматривает одновременное включение тиристоров VS1; VS3 от импульса управления Uу1 и тиристоров VS2; VS4 от импульса управления Uу2. Таким образом, силовой тиристор ТК в проводящем состоянии будет шунтировать схему соответствующей цепи контроля В случае невключения силового тиристора при наличии импульса управления дополнительный тиристор VS3 или VS4 включит соответствующую цепь контроля, что приведѐт к срабатыванию реагирующего элемента. Применение этой защиты наиболее эффективно в сочетании с устройством выявления сбоя в системе управления. Принцип дей100

ствия последнего основан на контроле длительности интервалов совпадения уровней выходных импульсов смежных каналов СИФУ [45].

ω * 60 с-1 150 0,02 c 100 50 0

t 1,167 с-1

-50 Рисунок 4.3 – Осциллограмма угловой скорости ротора асинхронного двигателя КОФ-32 в процессе пуска при невключении одного из тиристоров трѐхфазного тиристорного регулятора напряжения

R1 K1

VS3

Uу2 VS2 VS1

Uу1

VS4 K2 R2

Рисунок 4.4– Схема контроля состояния силовых тиристоров VS1 и VS2 в фазе ТК по авт. свид. СССР № 1510045 На входы элементов «Исключающее ИЛИ» D1-D6 (рис. 4.5) подаются выходные импульсы СИФУ. В нормальном режиме электропитания длительность каждого из этих импульсов составляет π рад., а 101

фазовый сдвиг между импульсами двух соседних каналов - π/3 рад. Поэтому на выходах каждого элемента «Исключающее ИЛИ» формируются импульсы длительностью π/3 рад. с интервалом в 2π/3 рад. таким образом, что логическое суммирование с последующим инвертированием выходных импульсов нечѐтных, либо чѐтных элементов «Исключающее ИЛИ» посредством элементов ИЛИ-НЕ D7; D8 приводит к установлению на выходах последних и выходе элемента ИЛИ D10 логических «нулей» (табл. 4.1). Таблица 4.1 - Диаграмма работы устройства выявления отказа системы управления тиристорным регулятором напряжения № интерваВыходы СУ Выходы элементов ла времени 1 2 3 4 5 6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D9 Отсутствие отказа системы управления (СУ) 1 Х Х Х Х Х 2 Х Х Х Х Х 3 Х Х Х Х Х 4 Х Х Х Х Х 5 Х Х Х Х Х 6 Х Х Х Х Х Наличие отказа системы управления (СУ) 1 Х Х Х Х Х 2 Х Х Х Х Х 3 Х Х Х Х Х 4 Х Х Х Х Х 5 Х Х Х Х Х 6 Х Х Х Х Отсутствие импульса на входе хотя бы одного элемента «Исключающее ИЛИ» (например, D2) приводит к изменению длительности его выходного импульса и к появлению на появлению на выходе элементов ИЛИ-НЕ D7; D8 и ИЛИ D9 чередующихся логических «нулей» и «единиц» (табл. 4.1.). Устройство сохраняет работоспособность и при полном исчезновении всех входных импульсов, либо при появлении единичных уровней на входах всех логических элементов «Исключающее ИЛИ». В этом случае на выходах последних устанавливаются «нули», логи102

ческое суммирование которых с последующим инвертированием приводит к появлению на выходах элементов ИЛИ-НЕ D7; D8 и ИЛИ D9 логических «единиц». Узел задержки DL2 предназначен для исключения ложного срабатывания устройства при включении СИФУ, т.к. в этом случае первоначально формируется импульс только на одном из шести каналов последней, что приводит к появлению логических «единиц» на выходах элементов D7; D8. CИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

=1 >1

D1 =1

>1 &

D7 D9

DL1

Uвых

D10

=1 DL2

D3 =1

D4 =1 D5

=1 D8 D6

Uпит

Рисунок 4.5.- Схема устройства выявления сбоя в работе системы импульсно – фазового управления (СИФУ) В процессе изменения угла α отпирания тиристоров (динамический режим работы ТК) длительности выходных импульсов СИФУ незначительно колеблются, превышая или не достигая значения в π рад. Это может привести к появлению на выходах логических элементов ИЛИ-НЕ D7; D8 и ИЛИ D9 коротких импульсов и отключению ТК. Узел задержки DL1 препятствует прохождению импульсов с 103

выходов элементов ИЛИ-НЕ D7; D8 и ИЛИ D9 в случае, если длительность этих импульсов меньше π/3 рад. Этим исключается ложное срабатывание устройства в процессе регулирования угла α отпирания тиристоров. Предложенная защита совместима не только с СИФУ, но и с блоком формирования квазисинусоидальных напряжений, т.к. его выходные импульсы имеют распределение, аналогичное распределению выходных импульсов СИФУ и отличаются лишь более низкой частотой следования, что не влияет на работоспособность устройства. 4.2 Принципы выявления коротких замыканий в сети электропитания асинхронных двигателей Нашедшие широкое применение в рудничном силовом электроаппаратостроении устройства защиты от коротких замыканий действуют на основе сравнения тока в защищаемой сети с выставленной персоналом уставкой срабатывания [46]. Процесс измерения, сравнения электрических параметров и формирования команды на защитное отключение сети предполагает некоторую задержку времени срабатывания защиты, в течение которого будет поддерживаться ток (и соответствующая тепловая перегрузка) аварийного силового присоединения. В условиях эксплуатации электромеханического оборудования высокой мощности эта особенность является неблагоприятной. К альтернативным техническим решениям могут быть отнесены способы и устройства, действие которых основано на реакции на скорость нарастания тока в защищаемом присоединении. В частности, в соответствии с [47], процесс повышения тока в трѐхфазной сети может быть выявлен путѐм определения смещения момента (точки) совпадения мгновенных значений токов смежных фаз (iA и iB, в соответствии с рис. 4.7). Диаграмма электрических параметров указывает на наличие перемещения во времени этой точки в процессе увеличения тока трѐхфазной сети (временнóй интервал ΔТ преобразуется в импульс напряжения U1 пропорциональной амплитуды, которая сравнивается с опорным напряжением Uоп). Итак, аварийное состояние сети может быть выявлено ранее, чем ток достигнет амплитудного уровня или действующего значения. Другим способом реагирования на скорость нарастания тока является измерение времени прохождения током (или напряжением, пропорциональным току) между двумя фиксированными уровнями 104

Uоп1 и Uоп2 (рис. 4.8) [48]. Повышенная интенсивность нарастания тока соответствует совпадению по времени интервалов существования импульса U9 (превышение напряжением U7, которое пропорционально току сети, предельного значения Uоп2) и импульса U11 ограниченной продолжительности, сформированного в момент, когда напряжение U7 становится равным напряжению Uоп1. Этот способ не требует выдержки времени на измерение амплитуды или действующего значения тока сети и поэтому является, в принципе, пригодным для выявления процесса короткого замыкания участковой сети на начальной стадии.

Im2 Im1 0

U1 Uоп 0

t а

U1 Uоп 0

t1 t2

Рисунок 4.7 – Диаграммы электрических параметров устройства t1 выявления смещения момента совпадения мгновенных значений токов смежных фаз трѐхфазной электросети: а – токовая перегрузка сети; б – трѐхфазное короткое замыкание (трѐхфазная система токов со стороны питающей трансформаторной подстанции) Наряду с рассмотренными свойствами средств выявления аварийного состояния промышленной трѐхфазной электросети наличие процесса междуфазного короткого замыкания может быть установлено по факту скачкообразного изменения фазового смещения φ фазного тока (относительно фазного напряжения) в связи с соответству105

ющим изменением активных и индуктивных составляющих электрического присоединения из-за отделение вследствие короткого замыкания части его активно-индуктивных сопротивлений (отрезок кабеля между точкой к.з. и двигателем, а также, - сам асинхронный двигатель).

Рисунок 4.8 - Временные диаграммы параметров при определении интенсивности нарастания фазного тока сети

Однако следует иметь ввиду, что причиной увеличения (di/dt) может быть несколько воздействующих факторов (пуск асинхронного двигателя; стопорение привода технологической установки и др.), а причиной скачкообразного изменения фазового смещения φ фазного тока относительно фазного напряжения может быть подключение или отключение асинхронного электропривода потребителя участка с соответствующим питающим кабелем. Это требует точной настройки защитных средств для идентификации динамичного процесса изменения электрических параметров сети как короткое замыкание. Скачкообразное фазовое смещение φ фазного тока следует использовать как команду на измерение di/dt и в качестве подтверждения короткого замыкания в силовом присоединении, если величина скорости нарастания тока будет находиться в пределах, определѐнных соответственно режиму короткого замыкания соответствующего силового присоединения. 106

К актуальным по функциональности устройствам следует также отнести максимальную токовую защиту с уставкой срабатывания Iуст.> I дв., уменьшающейся от величины, превышающей пусковой ток (Iп.) асинхронного двигателя (Iдв.) до величины, превышающей его номинальный ток (рис. 4.9) [49]. Командой на снижение уставки может служить сигнал датчика скорости электропривода (сигнал выхода двигателя на номинальную скорость ротора. Это позволит реагировать на токовые перегрузки, а также на крайне неблагоприятный и встречающийся в условиях шахты эффект междуфазного замыкания через сопротивление электрической дуги (дуговое замыкание). Кроме этого, командой на снижение уставки может служить сигнал, например, таймера или подобного устройства о завершении заданного вреI

I уст.

7I п 6I п 5I п 4I п 3I п

I дв.

2I п Iп t

Рисунок 4.9 – Диаграмма электрических параметров устройства максимальной токовой защиты силового присоединения асинхронного двигателя с автоматически изменяющейся уставкой, в соответствии с авт. свид. СССР №1494103 мени разгона асинхронного двигателя [50]. В этом случае может быть отключѐн затянувшийся или несостоявшийся пуск электропривода.

107

5 ОСОБЕННОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ПРИ РАЗМЕЩЕНИИ В ОБОЛОЧКАХ РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Тепловые потери в силовых полупроводниковых приборах обусловлены, в основном, падением напряжения при протекании переменного тока нагрузки. Задачи обеспечения надѐжной работы ТК тесно связаны с необходимостью организации соответствующего нормального теплового режима работы силовых полупроводников при их размещении в рудничных взрывозащищѐнных оболочках электрооборудования А промышленности наиболее широкое распространение получили системы охлаждения силовых полупроводниковых приборов без промежуточного теплоносителя с воздушным или жидкостным (естественным, либо принудительным) охлаждением [51] (рис. 5.1). При естественном воздушном охлаждении тепловая энергия конвекцией передаѐтся в окружающую среду, коэффициент теплоотдачи не превышает 10 Вт/м2К. Максимальное его значение для устройств принудительного воздушного охлаждения составляет 70-150 Вт/м2К в зависимости от скорости движения воздуха [52]. Особенностью шахтного тиристорного электропривода является то, что ТК должны располагаться в закрытых металлических взрывонепроницаемых оболочках. В этом случае с нагревом тиристоров температура окружающей среды внутри взрывонепроницаемой оболочки быстро достигает значений, соразмерных с температурой силовых полупроводниковых приборов, и эффект конвекции тепловой энергии прекращается. В условиях шахт может быть использовано жидкостное охлаждение (проточной водой, перемещаемой по контуру охладителей – теплоприѐмников, замкнутые системы принудительного, либо естественного конвективного водяного охлаждения с промежуточным однофазным теплоносителем). В первом случае система движения охлаждающей жидкости разомкнута, т.е., жидкость, пройдя охладитель тиристора идѐт на выброс и больше не используется Указанный способ эффективен, однако требует значительного расхода воды, наличия источника с достаточным еѐ количеством. Рудничные тиристорные коммутаторы, охлаждаемые по такому способу, могут работать только вблизи магистрали водопровода. 108

Рисунок 5.1 – Компоновка структурных элементов силового полупроводникового преобразователя частоты на основании в форме металлической трубы квадратного (прямоугольного) сечения с внутренним обдувом посредством вентилятора (вентиляционное отверстие изображено в верхней части корпуса (а, б), либо с дополнительным охлаждением водой: штуцеры «EIN», «AUS» (б) Помимо силовых кабелей к таким тиристорным коммутаторам требуется подключать подводящие и отводящие рукава от этих магистралей. Всѐ это снижает удобство эксплуатации ТК и ограничивает их область применения в шахте. Кроме того, наличие проточной воды в контуре охлаждения силовых полупроводниковых приборов внутри электрического аппарата создаѐт потенциальную возможность 109

еѐ попадания на элементы схемы, что может привести к междуфазным коротким замыканиям. Система охлаждения с промежуточным теплоносителем работает по замкнутому контуру с принудительной или естественной циркуляцией теплоносителя. Принудительная циркуляция теплоносителя осуществляется с помощью насоса, когда хладагент – вода прокачивается по замкнутому контуру, состоящему из полых керамических теплоприѐмников (рис.5.2) и оребрѐнных металлических охладителей, расположенных с внешней стороны корпуса силового тиристорного коммутатора. Особенностью естественной циркуляции теплоносителя является то, что она возникает за счѐт разности плотностей нагретой и холодной жидкости. 3 2 3 1

2 13 2

1 2 1 5 6 Рисунок 5.2 - Размещение силовых тиристоров 1 в модуле устройства принудительного водяного охлаждения: 2- цилиндрический полый теплоприѐмник из теплопроводной керамики; 3 – токовый вывод; 4 – рама модуля; 5 – отрезок рукава, соединяющий штуцеры теплоприѐмников, 6 - штуцер

Применительно к рудничному электрооборудованию система охлаждения силовых полупроводниковых приборов, основанная на принципе естественной циркуляции теплоносителя, наиболее приемлема. Она обеспечивает автономность функционирования ТК, не требует применения насосов для осуществления циркуляции жидкости, обеспечивает достаточно высокий коэффициент теплоотдачи: для во110

ды – 1000 – 7000 Вт/м2К; для трансформаторного масла – 300 – 1000 Вт/м2К. Отмеченные достоинства системы естественной циркуляции теплоносителя позволяют наиболее просто реализовать охлаждение силовых полупроводниковых приборов, расположенных в рудничных взрывонепроницаемых оболочках. В этом случае компоновочное решение ТК представляет собой модульное расположение тиристоров (в каждом модуле по два – три тиристора) с системой естественного конвективного водяного охлаждения (рис. 5.3) [3].

Рисунок 5.3 – Внешний вид и компоновка силового тиристорного модуля с устройством естественного водяного конвективного охлаждения силовых тиристоров 111

Модуль имеет основание 1, выполненное в виде боковой крышки корпуса электрического аппарата. На внешней стороне основания расположен оребрѐнный теплорассеиватель 2, а на внутренней стороне в верхней и нижней частях основания предусмотрены полые камеры 3. Между ними расположены полые металлические охладители – теплоприѐмники 4, присоединѐнные к штуцерам 5 камер гибкими рукавами 6. Между охладителями установлены теплопроводные электроизоляторы 7 (материал – керамика на основе окиси бериллия) или окиси бария; полиамидная плѐнка ПМ-100 и т.п.) и силовые тиристоры 8 с токовыми выводами 9. Тиристоры зажимаются между токовыми выводами и охладителями при помощи рессоры 10, посредством болтового соединения 11. Для подачи управляющих импульсов к тиристорам предусмотрен гибкий жгут проводников 12. Устройство охлаждения (теплорассеиватель 2, камеры 3, охладители 4), благодаря наличию отверстий в основании 1, образует замкнутый контур циркуляции воды. Естественная конвекция воды в корпусе обусловливается нагревом в полости охладителей 4 (в процессе работы тиристоров), возникновением вследствие этого гидродинамического напора и перемещении нагретой воды в верхнюю часть теплорассеивателя 2, из которого охлаждѐнная вода поступает снизу в охладитель 4. Достоинством рассмотренной конструкции устройства охлаждения является двустороннее охлаждение силовых таблеточных тиристоров, что повышает нагрузочные возможности ТК по току. Основной недостаток – наличие элементов контура циркуляции воды внутри электрического аппарата. При невысоких токовых нагрузках на ТК может быть применено устройство с односторонним охлаждением силовых полупроводниковых приборов, лишѐнное указанного недостатка. Контур естественного конвективного водяного охлаждения тиристора располагается на внешней стороне основания (вертикальной крышки) электроаппарата и представляет собой сварную конструкцию из металлических охладителей, патрубков и теплорассеивателей, заполненную водой. При кратковременной работе тиристоров достаточные параметры их теплового состояния могут быть выдержаны при передаче тепла не на контур циркуляции воды, а непосредственно на металлические элементы корпуса силового коммутационного устройства (рис. 5.4). Силовые тиристоры ТК при этом монтируются в модули, передача тепла на корпус осуществляется через теплопроводные электроизоляторы. 112

2 3

Рисунок 5.4 – Внешний вид силового тиристорного модуля, предназначенного для размещения в рудничной взрывонепроницаемой оболочке 1 – стальная плита основания; 2 – силовой тиристор; 3 – теплопроводный электроизолятор (диск Ø = 110 мм; s – 4 мм) на основе окиси бериллия (фиксирующий корпус из диэлектрического материала с отверстием под токовый вывод снят); 4 – центрующая шайба из диэлектрического материала; 5- токовый вывод; 6 – рессора 4 113

Ещѐ бόльшей технологичностью отличаются конструкции элементов ТК, содержащие тристорные модули, каждый из которых представлен фрагментом схемы силового тиристорного коммутатора На рис. 5.5 представлены результаты экспериментальных исследований системы охлаждения тиристоров. Исследовалась нагрузочная способность силовых полупроводниковых приборов при длительном протекании тока нагрузки (рис. 5.5а) и при чередовании токовой нагрузки тиристоров в интервалах времени 20 с и 9 мин. 40 с (что соответствует работе ТК в системе электропривода с частотой включения АД, равной 6 в час (рис. 5.5б). Из результатов исследования следует, что рассматриваемая система естественного конвективного водяного охлаждения тиристоров обеспечивает их работоспособность внутри рудничной взрывонепроницаемой оболочки при мощности двигателей нагрузки ТК 110 кВт в повторнократковременном режиме с учѐтом нагрева пусковым током АД и 250 кВт – в длительном (при напряжении трѐхфазной сети, равном 660 В и при температуре окружающей среды +35 0С). Это позволяет применить такое устройство охлаждения силовых полупроводниковых приборов в большинстве шахтных электроприводов.

Рисунок 5.5 – Кривые температуры нагрева силового тиристора Т-630 таблеточной конструкции током нагрузки (охлаждение тиристора – одностороннее) Таким образом, результаты исследований и разработок являются основанием (как в части управляющих, так и в части защитных функций) возможности и целесообразности применения силовых тири114

сторных коммутаторов в структуре системы электроснабжения участка шахты [53] (рис. 5.6).

Рисунок 5.7- Структура системы электроснабжения участка угольной шахты оп авт. свид. СССР № 1614070, содержащая силовые тиристорные регуляторы напряжения (коммутаторы 7): 2- автоматический выключатель, 3 – аппарат защиты от утечек тока на землю комплектной трансформаторной подстанции 1 участка шахты; 4 – контакторный силовой коммутационный аппарат; 5 – устройство контроля сопротивления изоляции отходящего присоединения; 6 – асинхронный двигатель технологической установки; 8,9 – RL-цепь параллельного подключения к тиристорному коммутатору 7 для пропускания оперативных токов устройств 3 и 5 Применение силовых тиристорных коммутаторов позволило реализовать заданную диаграмму разгона электропривода горной машины как с постоянной, так и с изменяющейся интенсивностью в условиях широкого диапазона изменения моментов сопротивления (замкнутые по скорости системы управления электроприводом), а также выполнить функцию плавного пуска асинхронного двигателя электропривода горной машины (разомкнутые системы автоматического управления тиристорными коммутаторами).

115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Маренич, К.Н. Автоматизированный электропривод машин и установок шахт и рудников: учеб. пособие для вузов /К.Н. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василец, И.Я. Лизан; ГВУЗ «ДонНТУ». – Донецк: УНИТЕХ, 2015. –252 с. 2. Маренич, К.Н. Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний: учеб. пособие для высш. учебн. заведений / К.Н. Маренич, И.В. Ковалѐва. – ГВУЗ «ДонНТУ». – Донецк: УНИТЕХ, 2015. – 214 с. 3. Маренич, К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами: монография / К.Н. Маренич. – Донецк, ДонГТУ, 1997.  64 с. 4. Петров, Л.П. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода /Л.П. Петров, О.А. Андрющенко, В.И. Капинос и др. – М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с. 5. А.с. 1457121 СССР, МПК Н02М5/22. Устройство для фазового управления трѐхфазным тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, Н.М. Коваль, В.Б. Шевчик, А.З. Бурцев (СССР). – № 4259845/24-07; заявл. 10.06.1987; опубл. 07.02.1989, Бюл. № 5. 6. А.с. 1319189 СССР, МПК Н02М5/22. Способ управления mфазным тиристорным регулятором напряжения/ К.Н. Маренич, И.Т. Сидоренко, И.А. Учителев, И.А. Лагута (СССР). – № 3928652/24-07; заявл. 17.07.1985; опубл. 23.06.1987, Бюл. № 23. 7. А.с. 1598081 СССР, МПК Н02М5/22. Устройство для импульсно-фазового управления трѐхфазным тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, А.И. Пархоменко, В.С. Дзюбан, Р.Г. Батраков (СССР). – № 4269415/31-07; заявл. 29.06.1988; опубл. 17.10.1990, Бюл. № 37. 8. А.с. 1697228 СССР, МПК Н02М7/00. Устройство для управления трѐхфазным тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, И.С. Кибрик, А.П. Быковский, В.С. Бакуменко, Б.И. Иванов (СССР). – № 4774284/07; заявл. 26.12.1989; опубл. 07.12.1991, Бюл. № 45. 9. А.с. 1453554 СССР, МПК Н02М7/00. Устройство для управления m-фазным тиристорным регулятором напряжения/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, А.И. Пархоменко, В.С. Дзюбан, В.Б. Шевчик, 116

Н.М. Коваль (СССР). – № 4223824/24-07; заявл. 07.04.1987; опубл. 23.01.1989, Бюл. № 3. 10. А.с. 1585859 СССР, МПК Н02Н7/09. Устройство для определения порядка чередования фазных напряжений сети / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.С. Бакуменко (СССР). – № 4439679/24-07; заявл. 13.06.1988; опубл. 15.08.1990, Бюл. № 30. 11. Борисенко, В.Ф. Электромеханические системы транспортных механизмов / В.Ф. Борисенко, А.А. Чепак, В.А. Сидоров и др. / под общ. ред. В.Ф. Борисенко. – Донецк, ДонНТУ, НПФ «МИДИЭЛ», 2007. – 332 с. 12. А.с. 1504756 СССР, МПК Н02М5/22. Устройство для импульсно-фазового управления тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Н. Пименов (СССР). – № 4341676/24-07; заявл. 11.12.1987; опубл. 30.08.1989, Бюл. № 32. 13. Маренич, К.М. Питання стійкості систем «тиристорний комутаційний апарат – асинхронний мотор» під час фазового регулювання напруги / К.М. Маренич // Теорія та моделі пристроїв вимірювальної і перетворювальної техніки: зб. наук. пр.; АН Украины; ин-т електродинаміки. – Київ, 1993. – С. 35-39. 14. Маренич, К.Н. Способы предупреждения неустойчивых состояний асинхронного тиристорного электропривода горной машины / К. Н. Маренич // Известия вузов. Горный журнал. – 1994. – №3. – С.126-129. 15. Маренич, К.Н. Асинхронный электропривод подземного скребкового конвейера с тиристорным пуско-защитным аппаратом: дис. … канд. техн. наук: 05.09.03 / Маренич Константин Николаевич.  Донецк, 1991. 238 с. 16. Савицкий, В.Н. Взрывозащищѐнное устройство плавного пуска КУВПП-250 М УХЛ5 Режим доступа: http://ukrniive.com.ua/ru/article/soft-start.htm – Загл. с экрана. 17. Аппарат управления пуском электропривода горной машины АПМ УХЛ5, Т5. Техническое задание : утв. М-вом угол. пром-сти СССР 19.07.1990. – Москва, 1990. – 90 с. 18. Ляшенко, Н.И. Некоторые результаты эксплуатации аппарата АПМ управления пуском электропривода ленточного конвейера / Н.И. Ляшенко, А.В. Панасенко, В.Н. Зеленецкий // Уголь Украины. – 1997. – № 12. – С. 35-37. 19. Маренич, К.Н. Асинхронный электропривод горной машины. Корректировка пусковых параметров / К.Н. Маренич, сб. научн. 117

Трудов горно-электромеханического ф-та. – Донецк, ДонГТУ, 1996. – С. 176-177. 20. Ostroj-Hansen+Reinders, spol. Sr.o. Система APD-1. Инструкция по обслуживанию. № 4. Наименование NO 55117-00.1 [Элетронный ресурс]. – 2002. –31 c. – Режим доступа: http://www.onr.cz. – Загл. с экрана 21. Чугреев, Л.И. Динамика конвейеров с цепным тяговым органом /Л.И. Чугреев. – М.: Недра, 1976. – 161 с. 22. Расчѐт и конструирование горных транспортных машин и комплексов / учебник для вузов // под ред И.Г. Штокмана. – М.: Недра, 1975.- 464 с. 23. Маренич, К.Н. Автоматизация сложных электромеханических объектов энергоѐмких производств: учеб. пособие для вузов /К.Н. Маренич, С.В. Дубинин, Э.К. Никулин, И.В. Ковалѐва, С.В. Неежмаков; ГВУЗ «ДонНТУ». – Донецк: УНИТЕХ, 2015. – 237 с. 24. А.с. 1288854 СССР, МПК Н02М5/27; Н02М7/00. Способ управления трѐхфазным силовым полупроводниковым коммутатором / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич (СССР). – № 3917451/24-07; заявл. 09.04.1985; опубл. 07.02.1987, Бюл. № 5. 25. А.с. 1467706 СССР, МПК Н02М57/27. Устройство для управления тиристорным коммутатором переменного тока / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, А.И. Пархоменко, В.С. Дзюбан (СССР). – № 4100067/24-07; заявл. 20.05.1987; опубл. 23.03.1989, Бюл. № 11. 26. Круг, К.А. Основы электротехники. Т.2. Теория переменных токов / К.А. Круг. – Москва ; Ленинград: Госэнергоиздат, 1946. – 637 с. 27. Петров, И.И. Специальные режимы работы асинхронного электропривода / И.И. Петров, А.М. Мейстель. – М.: Энергия, 1968.  263 с. 28. Лапидус, А.И. Трѐхфазный тиристорный коммутатор для управления асинхронным двигателем /А.И. Лапидус // Научные и прикладные проблемы энергетики.  М.: Высшая школа, 1988.  Вып. 15.  С. 92-97. 29. А.с. 1173505 СССР, МПК Н02М7/00. Способ управления трѐхфазным силовым полупроводниковым коммутатором и устройство для его осуществления / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, А.И. Пархоменко, В.Н. Пименов (СССР). – № 3620006/24-07; заявл. 15.07.1983; опубл. 15.08.1985, Бюл. № 30. 118

30. А.с. 1288856 СССР, МПК Н02М7/00. Устройство для управления трѐхфазным полупроводниковым коммутатором квазисинусоидального напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.В. Люсый (СССР). – № 3814792/24-07; заявл. 22.11.1984; опубл. 07.02.1987, Бюл. № 5. 31. А.с. 1221094 СССР, МПК В65G23/00. Способ пуска конвейера/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.В. Люсый, Б.Д. Борисов (СССР). – № 3799200/27-03; заявл. 05.10.1984; опубл. 30.03.1986, Бюл. № 12. 32. Браславский, И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением/ И.Я. Браславский. – М. Энергоатомиздат, 1988.- 224 с. 33. Трещев, И.И. Методы исследования машин переменного тока / И.И. Трещев. – Л.: Энергия, 1969.- 235 с. 34. А.с. 1517107 СССР, МПК Н02Р7/42. Способ ступенчатого регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя с тиристорным коммутатором / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.Б. Шевчик (СССР). – № 4142144/24-07; заявл. 04.11.1986; опубл. 23.10.1989, Бюл. № 39. 35. А.с. 1242612 СССР, МПК Е21С35/24. Способ защиты горной машины от динамических перегрузов и устройство для его осуществления/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич. (СССР). – № 3822422/03; заявл. 06.12.1984; опубл. 07.07.1986, Бюл. № 25. 36. А.с. 1564344 СССР, МПК Е21С35/24. Устройство для защиты горной машины от динамических перегрузов/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.С Бакуменко. (СССР). – № 4395115/31-03; заявл. 21.03.1988; опубл. 15.05.1990, Бюл. № 18. 37. А.с. 1680977 СССР, МПК Е21С35/24. Устройство для выявления аварийных режимов эксплуатации приводов/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, И.С. Кибрик, А.П. Быковский, В.С. Бакуменко (СССР). – № 4738242/03; заявл. 10.07.1989; опубл. 30.09.1991, Бюл. № 36. 38. А.с. 1190186 СССР, МПК G01B7/16. Тензометрическое устройство/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.Г.Линицкий, А.В. Лустин (СССР). – № 3607813/25-28; заявл. 20.06.1983; опубл. 07.11.1985, Бюл. № 41. 39. Маренич, К.Н. Процессы в асинхронном тиристорном электропирводе при индукционно-динамическом торможении / К.Н. Маренич, И.Т. Сидоренко // Электромеханические и полупроводниковые 119

преобразователи электроэнергии: Сб. научн. трудов. – Киев: Ин-т электродинамики АН Украины, 1992.- С. 132-137. 40. Стадник, Н.И. Справочник по автоматизации шахтного конвейерного транспорта / Н.И. Стадник и др. К.: Техника, 1992. – С.108122. 41. А.с. 1196997 СССР, МПК Н02Н7/12. Способ защиты силового электрического преобразователя / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич (СССР). – № 3716912/24-07; заявл. 05.12.1983; опубл. 07.12.1985, Бюл. № 45. 42. Дроздов, А.Д. Исследование формы вторичного тока защитных трансформаторов тока в переходных и установившихся режимах А.Д. Дроздов, С.Л. Куженов //Электричество. – 1971. – №1. – С.27-29. 43. Маренич, К.Н. Особенности протекания и способы предотвращения неполнофазных режимов в асинхронном тиристорном электроприводе с параметрическим управлением / К.Н. Маренич: Взрывозащищѐнное и рудничное электрооборудование. Труды НИИ ПО «Кузбассэлектромотор». – Кемерово: 1991. – Вып. 14. – С. 67-72. 44. А.с. 1510045 СССР, МПК Н02Н7/10. Устройство для защитного отключения тиристорного преобразователя при обрыве его вентильной цепи/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, И.С. Кибрик, А.П. Быковский, В.С. Бакуменко (СССР). – № 4738242/03; заявл. 10.07.1989; опубл. 30.09.1991, Бюл. № 36. 45. А.с. 1571733 СССР, МПК Н02М5/22. Устройство для управления трѐхфазным тиристорным регулятором напряжения/ И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.С. Бакуменко, В.Я. Демидов, С.В. Дзюбан, В.Б. Шевчик (СССР). – № 4423599/24-07; заявл. 11.05.1988; опубл. 15.06.1990, Бюл. № 22. 46. Риман, Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания / Я.С.Риман.  2-е изд., перераб. и доп. – Москва: Недра, 1985.  88 с.: ил. 47. А.с. 1377946 СССР, МПК Н02Н7/08. Устройство для защиты трѐхфазной электроустановки от аварийных режимов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, Б.Д. Борисов (СССР). – № 3989837/24-07; заявл. 17.12.1985; опубл. 29.02.1988, Бюл. № 8. 48. Маренич, К.Н. Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний: учеб. пособие для вузов /К.Н. Маренич, И.В. Ковалѐва; ГВУЗ «ДонНТУ». – Донецк: УНИТЕХ, 2015. – 214 с. 120

49. А.с. 1453513 СССР, МПК Н02Н7/08. Устройство для защиты асинхронного электропривода от аварийных токов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Б. Шевчик (СССР). – № 4306976/24-07; заявл. 21.09.1987; опубл. 23.01.1989, Бюл. № 3. 50. А.с. 1494103 СССР, МПК Н02Н7/08; Н02Н3/08 Устройство для максимальной токовой защиты электродвигателей / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан (СССР). – № 4300883/24-07; заявл. 02.06.1987; опубл. 15.07.1989, Бюл. № 26. 51. Servicing the Freqency inverters pDRIVE MX basic; pDRIVE MX plus; pDRIVE MX top / VA TECH ELIN EBG Elektronik The Power Drives Company, 2002.- 156 c. 52. Исакеев, А.И. Эффективные способы охлаждения силовых полупроводниковых приборов / А.И. Исакеев и др. – Л.: Энергоиздат, 1982. – 136 с. 53. А.с. 1614070 СССР, МПК H02J3/00; Н02Н3/17. Система электроснабжения участка угольной шахты / И.Т. Сидоренко, В.С. Дзюбан, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан (СССР). – № 4400252/24-07; заявл. 29.03.1988; опубл. 15.12.1990, Бюл. № 46.

121

Приложение А Внешний вид экспериментального образца силового тиристорного аппарата (в рудничном исполнении) управления асинхронным электроприводом шахтного конвейера (разработан и изготовлен в Донецком политехническом институте, ныне ДонНТУ)

Аппарат выполнен в двух вариантах: - для асинхронного электропривода шахтного скребкового конвейера; - для асинхронного электропривода шахтного ленточного конвейера. 122

В условиях шахты исследованы способы управления: - при фазовом регулировании величины напряжения промышленной частоты с использованием одноконтурной, замкнутой по параметру скорости системы автоматического управления, - при формировании квазисинусоидальных напряжений пониженных частот (с последующим резгоном двигателя до номинальной скорости; - режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя; - защита от неполнофазного электропитания; -максимальная токовая защита с изменяемой уставкой срабатывания; - способы естественного конвективного водяного охлаждения силовых тиристоров в режиме продолжительной их работы. Схемные решения и параметры функциональных узлов послужили основой для создания серийного аппарата АПМ-1 управления пуском электропривода горной машины.

Экспериментальный образец силового тиристорного аппарата управления асинхронным электроприводом шахтного скребкового конвейера в структуре участкового распредпункта шахты в ходе промышленных испытаний (шахта «Россия» ПО «Селидовуголь» 1987-1989 г.г.) 123

Приложение Б Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства формирования системы трѐхфазных квазисинусоидальных напряжений частоты fM =fc /2 (где fc частота напряжения сети) по авт. свид. СССР №1467706

19 1-6 – тиристоры ТК; 13 – трансформатор; 14 – формирователь синхронизирующих импульсов; 15 – фазовый анализатор; 16 – узел запоминания сигналов; 17 - дифференцирующая цепь; 18, 36 – элементы ИЛИ; 19 – шестиканальный распределитель импульсов; 20 – усилительно-развязывающий узел; 21-23 – компараторы; 29 – реле с контактами 24,25, 30-35; 26 – резистор; 27, 37 – конденсаторы; 38 – источник питания 124

Индексы при электрических параметрах соответствуют номерам функциональных узлов устройства по авт. свид. СССР № 1467706

125

Приложение В Схема устройства управления пуском скребкового конвейера с кратковременной ступенью пониженной скорости методом предварительного разгона с переключением частот квазисинусоидальных напряжений в порядке: 7,14 Гц – 12,5 Гц – 16,67 Гц, с последующим переключением на напряжение промышленной частоты по авт. свид. СССР №1517107

1 – ТК; 2- тиристоры; 8 – асинхронный двигатель привода; 9 – формирователь синхронизирующих импульсов; 10 – таймер; 11-25 – элементы 2И; 26, 27 – элементы 3И; 28 – элемент 4И; 29-31 – элементы 2ИЛИ; 32 – элемент 3ИЛИ; 33 – элемент 3ИЛИ-НЕ; 34,35 – элементы 4ИЛИ; 36 – делитель частоты; 37 – кольцевой распределитель импульсов; 39 – блок гальванической развязки; 40 – дифференцирующая цепь; 41,42 - переключатели. Диаграмма работы устройства приведена на рис. 2.20.

126

Приложение Г Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства выявления динамических перегрузов электропривода по авт. свид. СССР №1242612 (индексы соответствуют элементам схемы)

127

МАРЕНИЧ Константин Николаевич

АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН С ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ

Монография

Подписано к печати 29.06.2020 г. Формат 60×841/16. Бумага Maestro. Гарнитура «Times New Roman». Печать лазерная. Усл. печ. лист. 7,56. Уч.-изд. лист. 7,78. Заказ № 85. Тираж 300 экз.

Отпечатано в типографии РИО «Донецкая политехника» Адрес: г. Донецк, ул. Артема, 58 Тел.: +38 (062) 301-09-67

128

Маренич Константин Николаевич, профессор (2013 г.), доктор технических наук (2014 г.), заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), ректор Донецкого национального технического университета (2016 г. – 2019 г.)

В монографии излагаются результаты многолетних исследований, выполненных автором в ходе разработок маловентильных тиристорных устройств для управления скоростными режимами и защиты электроприводов горных машин. Рассмотрены особенности построения асинхронных электроприводов горных машин на основе применения маловентильных тиристорных коммутаторов. Приведены результаты исследования процессов в системе «туристорный коммутатор – асинхронный двигатель» при фазовом регулировании питающего напряжения и электропитании квазисинусоидальным напряжением фиксированной пониженной частоты, а также при аварийных режимах функционирования. Особое внимание уделено вопросам влияния ЭДС вращения электрической машины на процессы в системе «тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель». Разработаны функциональные узлы управления и защиты асинхронного маловентильного тиристорного электропривода горной машины, рассмотрены вопросы, относящиеся к обеспечению допустимого теплового состояния силовых полупроводниковых приборов при их размещении в рудничном взрывозащищённом корпусе силового коммутационного аппарата на основе применения естественного конвективного водяного охлаждения. Основной массив изложенных научных и практических результатов в своём приоритете принадлежит автору данной монографии, которая является вторым изданием книги «Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами» (Донецк: 1997 г.), переработанной и дополненной актуальной технической информацией на основе изобретений автора, защищённых авторскими свидетельствами СССР. Для специалистов в области регулируемого электропривода горных машин, студентов и аспирантов профильных специальностей и направлений подготовки.