Явные функциональные преимущества предопределили распространение в электроприводах горных машин асинхронных короткозамкнутых электродвигателей (АД). Однако общеизвестной проблемой является сложность регулирования их механических координат, необходимый диапазон варьирования которых определяется механическими характеристиками привода. Общее решение заключается в формировании требуемых параметров напряжения питания посредством силового преобразователя - импульсного регулятора переменного напряжения (ИРПН), либо преобразователи частоты (ПЧ). ПЧ характеризуются большей эффективностью в отношении регулирования механических координат привода, в то время как ИРПН отличаются низкой стоимостью, простотой и надежностью. Поэтому ПЧ, как правило, используются при необходимости широкодиапазонного регулирования частоты вращения, а также длительной работы на пониженной скорости. Рациональная область применения ИРПН - регулирование момента АД с целью обеспечения плавности пуска, а также защитное торможение привода. Основная задача, которую приходится решать
|
при разработке подобных устройств для шахтного автоматизированного электропривода, заключается в обеспечении наилучших энергетических показателей работы привода при минимальных габаритах силового аппарата, ограниченных емкостью взрывонепроницаемой оболочки. Этим обусловлено стремление к использованию схем маловентильных преобразователей.
Примерами серийных маловентильных ИРПН для горных предприятий, являются аппарат управления электроприводом горной машины – АПМ (МЗША, Украина) [1], устройства типа “Softstart” (DAMEL, Польша) – преобразователи с фазовым регулированием величины выходного напряжения.
Основой ИРПН с фазовым регулированием (ФР) является силовая схема, состоящая из тиристоров, включенных попарно встречно-параллельно в каждую фазу (рис.1.а). Схема предполагает регулирование напряжения за счет формирования заданных углов 
управления тиристорами (рис.1.б) [2]. Отклю-чение СК естественное – при снижении тока до нуля. Это позволяет использовать относительно недорогие однооперационные тиристоры, характеризующиеся высокими энергетическими показателями. Вместе с очевидными преимуществами (надежность, отсутствие устройств искусственной коммутации) подобной структуре присущи недостатки, касающиеся качества выходных параметров, влияния на питающую сеть и энергетических показателей привода.
 |
Альтернативой ФР является широтно-импульсное преобразование (ШИП) сетевого напряжения [2]. В этом случае СК между источником и нагрузкой коммутируются с высокой (несущей) частотой в течение периода сетевого напряжения. Управляемая величина - длительность включенного состояния СК при постоянстве несущей частоты (рис.2.б). Среднее значение напряжения на нагрузке за период несущей частоты определяется скважностью импульсов управления СК и мгновенными значениями напряжения сети.
Известные тиристорные схемы ИРПН с ШИП не могут в полной мере реализовать преимущества указанного принципа в отношении привода рудничных механизмов ввиду низкого быстродействия тиристоров (ограничение максимального значения несущей частоты), а также необходимости использования цепей искусственной коммутации (рис.2.а) (существенное увеличение габаритов). Последнее обстоятельство в особенности ограничивает применение тиристорных ИРПН с ШИП в регулируемом приводе горных машин.
Предварительный анализ показывает, что основной причиной предпочтительности принципа ФР, а не ШИП в шахтном электроприводе является превосходство не по функциональным, а по массогабаритным показателям. Однако успехи в области разработки силовых ключей с полной управляемостью создают предпосылки для возврата к принципу ШИП с целью обоснования перспективного ИРПН, который можно было бы реализовать в рудничном исполнении.
Предварительно следует детально проанализировать энергетические показатели асинхронного электропривода с ИРПН с целью выявления оптимального с энергетической точки зрения принципа управления преобразователем.
Целью исследований является определение и сопоставление эксплуатационных показателей схем ИРПН с различными принципами регулирования, обоснование пригодной для эксплуатации в рудничных условиях схемы преобразователя.
При проведении исследований была использована математическая модель динамики асинхронного электропривода [3]. Влияние ИРПН было учтено за счет дополнения известной модели алгоритмом функционирования полупроводникового коммутатора с ФР или ШИП, расположенного между источником питания и АД. Общий алгоритм моделирования привода был реализован авторами статьи с помощью программных средств системы MathCAD. Примени-тельно к АД мощностью 55 кВт были количественно оценены показатели функционирования ИРПН с различными принципами управления.
Для ИРПН с ФР установлено, что при > 90° форма выходного напряжения существенно отличается от синусоидальной (рис.3). Амплитуда 5-й, 7-й, 11-й, 13-й гармоник тока сопоставима с основной составляющей (рис.4.а). При работе на двигательную нагрузку это является причиной пульсаций электромагнитного момента (рис.3), а также высоких тепловых потерь, ограничивающих допустимое время работы АД. Потребляя из сети реактивную энергию, необходимую для осуществления естественной коммутации СК, ИРПН с фазовым регулированием понижают общий коэффициент мощности (рис.4.б). Существенно несинусоидальный ток, потребляемый преобразователем, искажает сетевое напряжение, отрицательно влияя на работу остальных потребителей.
Результаты моделирования процессов в асинхронном электроприводе на основе ИРПН с ШИП, показали, что при несущей частоте 1 кГц и выше в спектре выходного напряжения ИРПН отсутствуют гармоники с порядковыми номерами ниже 20. Поэтому потребляемый ток близок к синусоидальному (рис.5). Его гармонический состав (рис.6.а) обусловливает минимальную амплитуду пульсаций момента (рис.5) во всем диапазоне регулирования напряжения. Ис-
 |
включается влияние ИРПН на коэффициент мощности электропривода (рис.6.б).
Результаты анализа свидетельствует о предпочтительности принципа ШИП. С целью его технической реализации авторами статьи предложена усовершенствованная схема ИРПН с ШИП (рис.7). Она представлена тремя главными СК с полной управляемостью, включенными в каждую фазу сети и коммутируемыми одновременно. Для обеспечения протекания отрицательных полуволн фазных токов указанные СК шунтируются обратными диодами. Одновременное отключение главных СК обусловливает необходимость принятия мер по их защите от перенапряжений, возникающих вследствие коммутации
 |
 |
индуктивного тока нагрузки. В составе силовой схемы предусмотрен неуправляемый трехфазный выпрямитель, подключенный непосредственно к выходу схемы и коммутируемый дополнительным СК с полной управляемостью. Для защиты от лавинного пробоя каждый СК шунтируется емкостным снаббером, представляющим собой RC-цепь, которая формирует траекторию выключения.
 |
Реализация данного способа стала возможной только с появлением СК на основе транзисторов с изолированным затвором (IGBT), характеризующихся высокими энергетическими и динамическими показателями. Объединение в одном модуле силового транзистора и обратного диода позволяет минимизировать количество силовых приборов и упростить их монтаж. Для обеспечения показателей, соответствующих аппарату АПМ (рабочее напряжение – 660 В, мощность управляемого АД – до 160 кВт), могут быть использованы силовые модули 1MBI200N-120 производства «Fuji», отличающиеся малыми размерами: 108х62х35 мм. Полупроводниковые модули 160MT120KB фирмы «IR», пред-ставляют собой малогабаритный трехфазный диодный мост. Вся силовая схема в составе 5 модулей, значительно уступающих по габаритам тиристорам совме-стно с элементами крепления и охлаждения, будет отличаться компактностью и простотой по сравнению с базовым вариантом, содержащим 7 тиристоров.
1.В результате анализа показателей функционирования асинхронного электропривода, оснащенного ИРПН с различными принципами управления, установлено, что преобразователи с ШИП отличаются от схем с ФР лучшим гармоническим составом выходных напряжений и токов, обуславливающим минимальное влияние ИРПН на остальные потребители в сети (содержание гармоник с порядковыми номерами до i = 20 включительно в спектре тока ста-тора снижается более, чем на 95%), минимальной амплитудой пульсаций элек-тромагнитного момента (не более 15% от пульсаций на выходе ИРПН с ФР при номинальной нагрузке на валу АД), а также отсутствием влияния на коэффициент мощности сети (cos
ШИП = cosАД по сравнению с cosФР = cosАД*cos).
2.Авторами предложена силовая схема регулятора с ШИП, отличающаяся от известных лучшими энергетическими и динамическими показателями, обусловленными применением современной силовой элементной базы (IGBT). Благодаря компактности, схема может быть реализована во взрывобезопасном исполнении в составе аппарата управления приводом горной машины АПМ.
1. Ляшенко Н.И., Панасенко А..В., Зеленецкий В.Н. Некоторые результаты эксплуатации аппарата АПМ управления пуском электропривода ленточного конвейера. Уголь Украины, 1997, №12, С. 35-37.
2. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. Преобразовательная техника, - Киев: Вища школа, 1983. – 431 с.
3. Ключев В.И. Теория электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 704 с.
| В библиотеку |