книги / Электрооборудование нефтяной промышленности
..pdfРис. 5.7. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя
У п р а в л е н и е в ф у н к ц и и в р е м е н и . Схема управления автоматического пуска асинхронного двигателя с фазным ро тором в две ступени в функции времени (рис. 5.7, а) содержит кнопки управления SB1 (останов) и SB2 (пуск), линейный контактор КМ, обеспечивающий подключение двигателя М к сети, и контакторы ускорения КМ1 и КМ2 для выключения (закорачивания) пусковых резисторов R1 и R2. В качестве дат чиков времени в схеме используются электромагнитные реле времени КТ1, КТ2.
При пуске схема работает следующим образом. При подаче напряжения на систему управления срабатывает реле КТ1, раз мыкая свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ1. Схема подготовлена к пуску. Пуск двигателя осуществля ется нажатием кнопки SB2, в результате чего получает питание катушка контактора КМ. Включившись, он своими главными контактами подключает двигатель к сети. Двигатель начинает разгоняться с сопротивлением R1+R2 в цепи ротора. Одновре менно замыкающий вспомогательный контакт (блок-контакт) контактора КМ шунтирует кнопку SB2, и она может быть от пущена оператором, а размыкающий контакт КМ размыкает цепь питания реле времени КТ1. Реле времени, потеряв пита ние, начинает отсчет выдержки времени А^р.вь соответствующей времени работы на первой ступени. Через интервал времени Д/р.ш размыкающий контакт КТ1 замкнется в цепи контактора КМ1, последний включится и своими главными контактами за коротит пусковые резисторы R1. Двигатель начнет разгон на искусственной механической характеристике, соответствующей сопротивлению R2 в цепи ротора. Одновременно контактор КМ1 своими блок-контактами разрывает цепь питания катушки реле времени КТ2, которое начинает отсчет выдержки времени Д^Р.В2»
150
соответствующей времени работы на второй ступени. Через ин тервал времени Д^Р.В2 размыкающий контакт К.Т2 замкнется в цепи контактора КМ2, который своими главными контактами закоротит пусковые резисторы R2. Двигатель выйдет на свою естественную характеристику, по которой продолжит свой раз бег до точки установившегося режима.
Графики изменения частоты вращения и тока двигателя при пуске рис. 5.7,6 имеют три участка: первые два соответствуют работе двигателя на реостатных, а третий — на естественной характеристиках.
Управление в функции времени можно использовать при тор можении (обычно динамическом). К достоинствам этого управ ления можно отнести постоянство времени пуска (торможения), простоту и надежность управления. Для различных схем ис пользуется однотипная аппаратура, реле времени просты, на дежны, легко налаживаются при любом числе пусковых сту пеней.
К недостаткам можно отнести возникновение больших толч ков тока при пуске двигателей с большим моментом сопротив ления.
У п р а в л е н и е в ф у н к ц и и пути. Управление пуском, ре версом и остановкой двигателя может осуществляться в функ ции пути. Иногда требуется, чтобы производственный механизм
иего отдельные элементы проходили строго определенный путь
сзаданной скоростью, затем останавливались или продолжали
движение, но с другой скоростью. В этих случаях управление электроприводом производится при помощи путевых выключа телей. Последние широко применяются при комплексной авто матизации для различных блокировок и переключений по за данной программе.
К достоинствам управления в функции пути следует отнести простоту и наглядность, возможность простыми средствами по лучить сложные блокировочные связи и зависимости, сравни тельно простая реализация требуемой последовательности опе раций комплекса механизмов.
Управление в функции пути применяется в системах автома тизации спуско-подъемных операций буровых установок.
5.5. Полупроводниковые системы управления электроприводами
Существенное влияние на развитие регулируемого электро привода оказала разработка в начале 1960-х годов мощных ти ристоров. В настоящее время в большинстве регулируемых электроприводов применяются тиристорные преобразователи (ТП), которые вытесняют систему генератор — двигатель.
151
Электроприводы по системе тиристорный преобразователь — двигатель (ТП—Д) имеют следующие особенности: высокое быстродействие; простота конструкции и высокая надежность; высокий (более 95%) номинальный к. п.д. ТП; малые расходы на эксплуатацию; малые габариты, масса, блочная компоновка позволяют сократить требуемые производственные площади и уменьшить капитальные затраты; возможность комплектования средствами вычислительной техники.
Современные микропроцессорные системы управления по зволяют в полной мере использовать высокие регулировочные возможности тиристорного управления, поэтому в последнее время тиристорные электроприводы весьма интенсивно разви ваются.
В то же время тиристорным электроприводам свойственны следующие недостатки:
значительные пульсации напряжения на выходе ТП, что тре бует для улучшения формы кривой выпрямленного тока уста новки сглаживающих реакторов;
при глубоком регулировании частоты вращения двигателя низкий коэффициент мощности;
низкая перегрузочная способность; искажение формы напряжения в сети переменного тока;
сложность схем ТП, обеспечивающих тормозные режимы электропривода с рекуперацией энергии в сеть.
Чтобы понять, как работают ТП, рассмотрим сначала схемы
выпрямления переменного тока в постоянный. |
т о к а |
в по |
||
П р е о б р а з о в а т е л и п е р е м е н н о г о |
||||
с т о я н н ы й |
с н е у п р а в л я е м ы м и |
д и о д а м и . |
В про |
|
мышленных |
электроустановках применяют |
различные |
схемы- |
выпрямления, каждая из которых имеет свои достоинства и не достатки. Обычно сравнивают технические характеристики схем: число выпрямителей, коэффициент пульсации выпрямлен ного напряжения, габаритную мощность трансформаторов.
Однофазная мостовая схема (рис. 5.8, а) содержит четыре.-
Рис. 5.8. Однофазная мостовая схема выпрямления, графики на пряжения и тока в трансформаторе, напряжения и тока в на грузке
152
диода VI—V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор или напрямую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и вы прямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряжения, а в другую (точки 2 и 4)— нагрузка. Общая точка 2 катодных вы водов служит положительным полюсом выпрямителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным.
В однофазной мостовой схеме диоды работают поочередно парами VI, V3 и V2, V4 (рис. 5.8,6). В положительный полу-
период напряжения |
С/2ф ток проходит через диод |
VI, нагрузку |
||
RH к диоду V3. Так |
как в это |
время диоды |
V2, |
V4 закрыты, |
к ним прикладывается обратное |
напряжение, |
наибольшее зна |
чение которого У2 U2ф. В отрицательный полупериод ток прохо дит через диод V2, нагрузку Ra к диоду V4. При этом обратное напряжение прикладывается к диодам VI и V3.
Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период про ходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от выпрямленного напряжения и сопротивления нагрузки.
Выпрямленное напряжение Ua (рис. 5.8, б) имеет постоян ную составляющую UH.ср и переменную составляющую t/d— (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсация. При идеальном преобра зовании переменного тока в постоянный переменная составляю щая равна нулю. Важным показателем работы выпрямителя служит отношение амплитуды переменной составляющей к вы прямленному напряжению, называемое коэффициентом пульса ции выпрямленного напряжения q= Ud~/UHрс = 2/(m2—1) (m—
число фаз источника).
Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций вы прямленного напряжения применяют в основном в электроуста новках малой мощности.
Трехфазная нулевая схема выпрямления (рис. 5.9, а) |
состоит |
из трех диодов (VI, V2, V3). Анодные выводы диодов |
обычно |
подключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — •к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов.
При активной нагрузке RHток через каждый диод протека ет в течение !/з периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в двух других, а вы прямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (рис. 5.9,в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и б (рис. 5.9,6), называемых точками естественной коммутации диодов, прохож дение тока прекращается в одном диоде и начинается в другом.
153
Рис. 5.9. Трехфазная нулевая схема выпрямления, графики напря жений, токов и обратного напряжения
Трехфазная нулевая схема позволяет получать выпрямлен ное напряжение более сглаженной формы (рис. 5.9,6) с пере
менной составляющей |
меньшей амплитуды, чем однофазная |
мостовая. |
|
Наибольшее обратное напряжение Uобршах, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного на пряжения (рис. 5.9,г).
Недостаток трехфазной |
нулевой |
схемы — прохождение тока |
через вторичные обмотки |
(ia2, |
и ic2) только в одном на |
правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вы зывающий дополнительный нагрев трансформатора. Поэтому схему применяют в электроустановках с трансформаторами, ток вторичной обмотки которых не превышает 100 А.
Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.10, а) со держит шесть диодов, образующих две группы: с общим катод ным выводом (VI, V3 и V5) и общим анодным выводом (V2, V4 и V6).
В нечетной группе диоды в течение каждой трети периода работают с наиболее высоким потенциалом анодного вывода (рис. 5.10,6), например, интервал а—6 для диода VI. В четной группе в этот интервал времени работает тот диод, у которого катодный вывод имеет наиболее отрицательный потенциал (ин
тервал а—г для диода V6 и г—6 для диода |
V2) по отношению |
|
к общей точке анодных выводов. |
|
5.10,6) ток iH про |
Таким образом, в интервале а—г (рис. |
||
ходит от фазы а трансформатора |
через диод VI, нагрузку RH, |
|
диод V6 к фазе b трансформатора |
(см. рис. 5.10, а). В интерва- |
154
Рис. 5.10. Трехфазная мостовая схема выпрямления, графики напряжений и токов
Рис. 5.11. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя, графики напряжений
ле г—6 (см. рис. 5.10,6) ток проходит через диод VI, нагрузку
RHи диод V2.
В трехфазной мостовой схеме в любой момент при активной,
нагрузке ток |
проходит |
через |
два диода — один |
из нечетной,, |
а другой — из |
четной |
группы. |
Диоды нечетной |
группы комму |
тируются в момент пересечения положительных участков сину соид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения, отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при на личии двух групп получают шестифазное выпрямление (см. рис.
5.10,6 кривая Udo).
К достоинствам трехфазных мостовых схем, широко приме няемых в электроустановках, можно отнести небольшой коэф фициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обрат ное напряжение; малая габаритная мощность трансформатора;, отсутствие вынужденного подмагничивания из-за того, что ток во вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направле
ние (табл. 5.2). |
п е р е м е н н о г о т о к а в по |
П р е о б р а з о в а т е л и |
с т о я н н ы й с у п р а в л я е м ы м и д и о д а м и (тиристора ми). Управляемые тиристорные выпрямители позволяют преоб разовать переменный ток в постоянный и плавно изменять вы прямленное напряжение от нуля до номинального значения.
Схемы выпрямления для тиристоров аналогичны схемам вы прямления с диодами. Для изменения выпрямленного напряже ния необходимо иметь специальное устройство, называемое системой импульсно-фазового управления (СИФУ), которое выполняет две функции: формирует управляющий импульс и смещает его по фазе относительно напряжения сети. Устройст
во СИФУ позволяет изменять угол |
регулирования а ТП от (> |
до 150—180° |
|
Т а б л и ц а 5.2. |
|
Технические характеристики различных схем |
выпрямления |
156
В трехфазной мостовой схеме, где вместо диодов включение тиристоры (рис. 5.11,а), управляющие импульсы £/У1-г-£/у6, по ступающие от СИФУ, должны быть соответствующим образом сфазированы с напряжением трансформатора, т. е. подаваться: в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, с (рис. 5.11,6) естествен ного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подаватьна тиристоры в базовых точках, то получим наибольшее вы прямленное напряжение Udo. При подаче управляющих импуль сов с отставанием по отношению к точке естественного отпира ния на угол а (рис. 5.11,6) тиристоры открываются позже,, а среднее выпрямленное напряжение Udcр будет меньше, чем наибольшее выпрямленное Udo- Среднее выпрямленное напря жение ТП определяется по формуле
U d ср = UdO COS (X,
где а — угол регулирования ТП.
Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы ти ристоров, а ток в любой момент протекает минимум через два
тиристора, СИФУ вырабатывает сдвоенные импульсы |
(см. |
рис. |
5.11,6), сдвинутые относительно друг друга на 60° |
В |
этом |
случае имеет место одновременная подача импульсов в тирис торы катодной и анодной групп.
Рассмотренные схемы выпрямления не позволяют изменять направление тока в цепи нагрузки. Изменение направления то ка в цепи нагрузки может быть осуществлено включением в. силовую цепь реверсора. Однако этот способ не всегда целесо образно применять, так как он требует коммутационной аппа ратуры в силовой цепи и яри частых реверсах характеризуется: низкой надежностью.
Другой способ — создание реверсивных схем выпрямления,, в которых применяют два комплекта нереверсивных преобра зователей. В этом случае первый комплект преобразователя проводит ток в одном направлении (условно «Вперед»), а вто рой комплект — в другом направлении (условно «Назад»).
Рассмотрим работу реверсивного преобразователя с нулевой, трехфазной схемой (рис. 5.12). Тиристоры VI, V2 и V3 работа ют выпрямителями при положительном напряжении на анодных, выводах, а тиристоры V4, V5 и V6 — при отрицательном напря жении на катодных выводах (точки а, Ь, с) .
Управление обеими группами преобразователя осуществля ется одновременно или раздельно. При одновременном (сов местном) управлении одна группа, работающая выпрямителем^ имеет углы регулирования а< 9 0 °, а другая, работающая инвер тором,— углы опережения управления (}>90° (в инверторном режиме происходит преобразование постоянного тока в пере-
157
Группа
Вперед ”
Рис. 5.12. Трехфазная реверсивная нулевая схема управ ляемого выпрямителя
■ менный). Сумма углов а+ ф = 180°. Эти углы обеих групп долж ны меняться таким образом, чтобы среднее напряжение инвер торной группы было несколько большим, чем среднее напряже ние выпрямительной группы, на величину падения напряжения на тиристорах.
В схемах с совместным управлением в группах «Вперед», «Назад» и трансформаторе возможны уравнительные токи i yp (см. рис. 5.12), которые, минуя нагрузку, могут достигать опас ных для тиристоров значений. Для их ограничения включают уравнительные дроссели LD1 и LD2.
В схемах с раздельным управлением система импульсно-фаз ного управления тиристорами имеет устройство, которое вклю чает, например, группу «Назад» только в том случае, когда ток в группе «Вперед» падает до нуля. В схемах с раздельным уп
равлением уравнительные дроссели |
не нужны, в них использу- |
J O T только сглаживающий дроссель L (см. рис. 5.12). |
|
Наличие инверторного режима |
позволяет получить более |
экономичные электроприводы, так как при реверсе и торможе нии запасенную кинетическую энергию в движущихся частях можно возвратить в электрическую сеть.
Тиристорные преобразователи широко применяются для пи тания обмоток возбуждения и якорей электродвигателей.
При питании обмотки возбуждения от ТП, которая обладает
•большой индуктивностью, |
пульсации тока |
незначительны, так |
■ как наличие индуктивности |
способствует |
сглаживанию тока в |
цепи обмотки. Обмотка якоря двигателя обладает малой индук тивностью. При питании якоря двигателя от ТП необходимо также учитывать, что при вращении последнего возникает про- тиво-э.д. с., которая влияет на работу системы ТП — Д, ухудшая характеристики электропривода. Поэтому в электроустановках •средней и большой мощности в силовой цепи предусматрива ется, как правило, сглаживающий дроссель. В СССР для на
158
земных буровых установок разработаны комплектные тирис торные электроприводы постоянного и переменного тока. Элек троприводы по системе ТП — Д применяют и в буровых уста новках морского бурения.
Существенное увеличение выпуска мощных и надежных си ловых тиристоров, значительное уменьшение их стоимости по зволяют наряду с широким использованием ТП для приводовпостоянного тока разрабатывать и осваивать выпуск электро приводов переменного тока, управляемых от различного ро да ТП.
Перспективен привод переменного тока с широким диапазо ном регулирования частоты вращения — электропривод с син хронным двигателем, управляемым от тиристорного преобразо вателя частоты.
Большие возможности получают полупроводниковые системы; управления электроприводом при внедрении силовых транзис торов. Преобразователи, построенные на базе силовых транзис торов, имеют меньшие габариты и стоимость, чем аналогичныетиристорные. Однако до настоящего времени отсутствует до статочный опыт эксплуатации силовых управляемых преобра зователей на транзисторах. Силовые транзисторы пока еще менее надежны по сравнению с тиристорами, надежность и долговечность которых подтверждена длительной практикой эксплуатации. Кроме того, максимальные токи и напряжения силовых транзисторов все еще меньше соответствующих пока зателей тиристоров. Силовые транзисторы имеют низкую пере грузочную способность по току.
5.6. Замкнутые системы автоматизированного электропривода
Системы автоматизированного электропривода подразделя ются на разомкнутые и замкнутые (с обратными связями).
В разомкнутых системах изменение регулируемой величины (например частоты вращения двигателя) определяется внутрен ними свойствами системы и не корректируется при изменении нагрузки на валу двигателя. Так, двигатели постоянного тока независимого возбуждения и асинхронные двигатели с увеличе нием нагрузки от 0 до Мн снижают частоту вращения до 5%,. поэтому поддерживать большую точность в таких системах не возможно.
Замкнутая система характеризуется наличием специальных устройств (датчиков), которые измеряют и преобразуют в элек трические сигналы частоту вращения, напряжение, ток, момент двигателя. Информация от датчиков используется в системе автоматического управления для поддержания регулируемой величины, например частоты вращения с заданной точностью.
159*