Источник:Журнал "Силовая электроника", выпуск №1, 2007г.
Плавный пуск асинхронных электроприводов (АЭП) относится к одному на наиболее важных и от-ветственных режимов работы. Б первую очередь это относится к нерегулируемым по скорости АЭП, когда и качестве приводного электродвигателя приме пяется асинхронный ко рот к о замкнутый двшагиль (АД). Прямой пуск АД от сети, особенно для АЭП с большим моментом инерции, обладает рядом известных недостатков, главными из которых являются значительные по величине и продолжительные по времени пусковые токи и удары момента на валу двигателя. Эти удары могут в несколько раз превышать номинальные значения [1, 2]. Для исключения указанных недостатков применяются различные способы и устройства плавного пуска асинхронных электроприводов, которые обеспечивают уменьшение напряжения и тока на статоре АД при пуске и формирование специальной траектории напряжения (тока) [1-7]. К наиболее распространенным устройствам плавного пуска (УПП) асинхронных электроприводов относятся тиристорные преобразователи напряжения (ТПН}.
ТПН с номинальным напряжением двигателя и питающей сети до 1000 В получили в настоящее время широкое применение благодаря их высокой надежности, низкой стоимости, малым массо-габаритным показателям, простоте эксплуатации и большому их количеству, которое выпускается как отечественной, так и зарубежной промышленностью [2, 3]. В качестве примера может служить шртторный преобразователь напряжения типа ПАД, разработанный н произведенный НПП "Энергия и экология" [4—6]. Положительный опыт эксплуатации ТПН различных типов для плавного пуска АЭП напряжением до 1000 В позволил перейти к созданию тиристорных преобразователей напряжением выше 1000 В (ТНП-В). Опыт применения ТНП-В позволил оцепить их значительную эффективность при использовании для плавного пуска асинхронных двигателей па напряжение 3, 6 и 10 кВ. Двигатели такого класса напряжения являются довольно энергоемкими объектами и широко распространены в промышленности и энергетике. Иногда мощность единичного двигаителя (например, АЭП воздуходувки на 8 .МВт) соиз¬мерима с мощностью питающей сети или трансформаторной подстанции. Поэтому обеспечение плавного пуска, ограничение пусковых токов и рациона¬лизация включений/отключений такого рода АЭП является весьма актуальной задачей. Это обуславливает увеличение спроса на устройства плавного пуска па основе ТНП-В.
Среди изделий преобразовательной техники устройства плавного пуска на базе ТПН-В являются довольно надежными, они неприхотливы в эксплуатации, имеют относительно невысокую стоимость н малый срок окупаемости. Поэтому производство ТНП-В освоил ряд отечественных предприятий, например ОАО "ВНИИР" (г. Чебоксары}, ОАО "Электровыпрямитель" (г, Саранск), ЗАО "Нефтяная электронная компания" (г. Пермь) и зарубежные фирмы: АББ, Солкон, Ален Бредли, ХЭМЗ н другие.
Они обеспечивают плавный пуск асинхронных злектроприводов в широком диапазоне напряжений и мощности. В состав силовой схемы устройства, в зависимости от назначения и типа, могут быть включены шунтирующий и линейный вакуумный контактор, разъединитель, заземлитель, предохранятели и т. п. В таблице 1 приведены основные параметры приводных АД, которые снабжаются ТПН-В. Для обеспечения возрастающего спроса на устройства плавного пуска ЗАО "Автоматизированные системы и комплексы" (г.Екатеринбург) разработало и освоило производство серии высоковольтных ТПН типа ПАД-В для асинхронных дваппелей [7]. В основу разработки были положены технические решения устройства плавного пуска тина ПАД для асинхронных двигателей напряжением 380 и 500 В [4-6]. Опыт их разработки, испытаний и эксплуатапии позволил предложить и реализовать в ТПН-В типа ПАД-В все оригинальные и рациональные технические решения низковольтных тиристорных преобразователей типа ПАД [4].
При создании высоковольтных тиристорных преобразователей напряжения типа ПАД-В реализована концепция, которая характеризуется следующими аспектами:
- использование всех положительно зарекомендовавших конструктивных решений ТПН типа ПАД;
- применение блочно-модульной конструкции силовой части ТПН-В для номинальных напряжений питающей сети 3,6 и 10 кВ на базе унифицированного высоковольтного тиристорного модуля (ВТМ);
- использование унифицированной цифровой системы управления на базе высокопроизводительного однокристального RISC-микроконтроллера [5, 6);
- реализация информационной части ТПН-В на специализированных высоковольтных датчиках, обеспечивающих измерение, коди-рование и передачу информации о координатах АЭП но волоконно-оптическому каналу связи в системный контроллер;
- использование оригинального алгоритма формирования тока (напряжения) статорадвигателя, питаемого от преобразователя типа ПАД-В.
Функциональная схема типового преобразователя типа ПАД-В приведена на рис. 1. Она включает: силовой преобразователь СП; информационно-кодирующую часть ИКЧ; волоконно-оптическую линию связи ВОЛС; оптический интерфейс ОИ; системный контроллер СК и пульт управления ПУ. Силовой преобразователь состоит собственно из тиристорного регулятора напряжения UZ, с фазовым управлением, трансформаторов тока ТА, ограничителей перенапряжения RU типа ОПН и шунтирующею силового коммутационного аппарата КМ, например, вакуумного конгактора. В основе UZ лежат функционально и конструктивно законченные высоковольтные тиристорные модули типа ВТМ (рис. 2). Модуль включает в себя; два встречно-параллельных тиристора VS1 и VS2 с охладителями; RС-цепь R1 и С1; выравнивающий резистор R2 и оптоуправляемые формирователи импульсов ФИ тиристоров. В зависимости от расположении модуля в схеме он дополнительно снабжается датчиком напряжения, температуры или синхронизации с оптическим выходом. Уже разработаны и изготовлены модули типа ВТМ-250-2к и ВТМ-400-2к. Модуль первого типа предназначен для коммутации тока силой до 800 А (номинальный ток двигателя — 250 А), а второй — до 1400 А (400 А) при напряжении на нем до 2 кВ с естественным охлаждением тиристора. Проводятся работы по созданию ВТМ с этим же классом напряжения на номинальные токи 630, 800 н 1000 А. В зависимости от тока в силовых модулях применяются высоковольтные отечественные тиристоры типа Т253-500-60, Т173- 1000-60 или Т173-2000-60 производства ОАО «Электровыпрямитель».
При построении ТГШ-В соответствующей модификации ВТМ объединяются в последовательные фазные модульные группы. Каждая такая группа содержит в зависимости от напряжения сети (3, 6 или 10 кВ) соответственно 2, 3 или 5 ВТМ. В зависимости от мощности двигателя, согласно таблице 1, устанавливается ВТМ с соответствующим током
Информационно-кодирующая часть включает следующие датчики: линейных тока ДТ и напряжения ДНС сети; баланса вентильных групп ДБ, необходимые лля диагностики исправности тиристоров; оптических разветвителей ОР, которые усиливают и одновременно распределяют импульсы управления на все тиристоры фазных групп; температуры тиристоров ДТ° и линейного напряжения ДНМ машины. Датчики напряжения обеспечивают непосредственное (без трансформатора) измерение линейных напряжений, аналого-цифровое преобразование в последовательный код и передачу его по волоконно-оптической линии связи ВОЛС в плату оптическою интерфейса ОИ. По аналогичному принципу работают датчики температуры, тока и баланса вентильной группы. Датчики унифицированы и применяются для всех модификаций ПАД-В с напряжением от 3 до 10 кВ. Все электронные платы выполнены на современном оборудовании с применением технологии поверхностного монтажа. Высоковольтные платы датчиков и формирователей импульсов покрыты специальным эластичным силиконовым лаком. Лак обеспечивает необходимую защиту от влаги, пыли и коронируюших разрядов.
Дла управления ТПН-В разработана унифицированная цифровая система управления, реализованная на базе высокопроизводительного однокристального RISC-микроконтроллера. Она является продуктом развития цифровых систем управления, примененных для ТПН напряжением до 1000 В различного назначения [5, 6]. Новая система обладает мощными вычислительными возможностями и развитой периферией с оптическим и электрическим интерфейсами. Она обладает всокой «гибкостью», так как алгоритм функционирования в значительной степени определяется программным обеспечением и применяется для всех типов высоковольтных УПП типа ПАД-В. Система реализует прямое цифровое управление ТПН-В и технологическими параметрами. Структура системы включает в себя три электронные платы. Две из них основные и необходимые.
Первая — это плата системною контроллера (СК). В структуру этой платы включен собственно однокристальный микроконтроллер типа АVR, узлы изолированного дискретного ввода-вывода, питания, электрического и оптического RS-485, часы реального времени для протоколирования ошибочных ситуаций н датчик системной температуры. Системный контроллер организует общий алгоритм функционирования и информационный обмен между остальными модулями системы по различным протоколам: SPI, PC, MODBUS и скоростной параллельный.
В качестве сервистных функций программа СК дополнена блоками но вычислению мощности, потребленной энергии, счетчика вре-мени наработки оборудования, программируемым задатчиком, ПИ-, ПИД-регулятором, различными функциональными преобразователями и другими. Эш блоки вводятся в общий алгоритм в зависимости от требований к плавному пуску АЭП. Большинство функций защиты и диагностики также реализованы па программном уровне. К защитам относятся: обрыв фазы, мгновенная от сверхтоков, электронная времятоковая от токов перегрузки, от перегрева тиристоров н от несостоявшеюся пуска. Результатом действия защиты является снятие импульсов с тиристоров, отключение преобразователя и индикация номера аварийного режима. К диагностике относится: несимметрня линейных напряжений и тока, пробой одного пз тиристоров в фазной группе. При таких режимах преобразователь не отключается, по оператор по показаниям на дисплее может определить вид аварийною режима н величину.
Вторая плата - это оптический интерфейс ОИ. Она предназначена для преобразования поступающего с ВОЛС поеледовательного кода в параллельный, усиления и передачи по оптоволокну импульсов управления тиристорами. Плата ОИ по существу является информационным мостом, соединяющим ИКЧ с системным контроллером.
Третья плата — зто пульт управления ПУ. Она содержит светодиодный дисплей, точечные индикаторы и клавиатуру. На дисплей выводятся показания измеряемых координат ТПН-В, технологические установки, параметры настроек системы ЭП, коды ошибок и др. На точечные индикаторы выводятся состояние установки, преобразователя, вид отображаемого параметра, а также аварийные режимы. Все необходимые настройки системы выполняются с клавиатуры.
Конструктивно преобразователи класса напряжения 3 кВ и номинальным током до 250 А выполняются в одном шкафу. Шкаф содержит собственно силовой преобразователь, ограничители перенапряжений, трансформаторы тока, систему управления, панель реле и шунтирующий вакуумный контактор. Электронные платы информационно-кодирующей части располагаются на стеклотекстолитовых панелях над тиристорными модулями и закрыты защитным кожухом из оргстекла (рис. 5). Элемен-ты низковольтной автоматики н релейно-контакторной аппаратуры скомпонованы на двери шкафа. Платы системного контроллера » оптического интерфейса помещены в герметичный металлический бокс.
Преобразователи на напряжение 6 и 10 кВ выполняются в нескольких шкафах. При этом каждая фазная группа ТПН-В, включающая также ОПН, трансформатор тока и проходные шины, выполняется в отдельном шкафу. Система управления и вся низковольтная ре¬лейная автоматика располагается в отдельном герметичном шкафчике. Такая компановка позволила свободно разместить ВТМ, увеличить зазоры безопасности и длину пути тока утечки. Применяется естественное охлаждение тиристоров, что также увеличивает надежность преобразователя при эксплуатации в запыленных и влажных средах.
