РАЗРАБОТКА, ИССЛЕДОВАНИЕ, ВНЕДРЕНИЕ СИСТЕМ "ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ-АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ"
Браславский И.Я., Зюзев A.M., Костылев А.В.
"ЭЛЕКТРОТЕХНИКА №9/04" с. 13-17

В электроприводах переменного тока (асинхронных и синхронных), где по условиям технологического процесса не требуется регулирования скорости, основной тенденцией в последние годы стал переход от приводов с контакторным управлением к системам, оснащенным устройствами плавного пуска на основе тиристорных преобразователей напряжения. Доказательством тому служит, прежде всего, тот факт, что в каталогах практически всех крупных производителей систем электроприводов присутствуют устройства плавного пуска (УПП), в зарубежной литературе получившие название системы Soft-Start. Причина этой тенденции состоит, прежде всего, в необходимости внедрения ресурсо- и энергосберегающих технологий. Устройства плавного пуска занимают промежуточное положение между нерегулируемым и регулируемым электроприводом. Как следует из их названия, основным назначением УПП является плавный разгон электродвигателя и, в ряде случаев, реверс и торможение. Учитывая, что каждый прямой пуск электродвигателя (асинхронного короткозамкнутого или синхронного) существенно снижает срок его службы, вполне очевидной представляется целесообразность применения УПП, особенно для мощных двигателей переменного тока.
        Обсуждая вопрос эффективности применения устройств плавного пуска, выделим следующие их преимущества:
         - возможность ограничения пусковых токов и момента двигателя, что повышает долговечность двигателя и механической части;
         - снижение тепловых ударных нагрузок на двигатель, которые являются источником форсированного старения изоляции обмоток двигателей;
         - исключение повышенных электродинамических усилий в обмотках двигателя, приводящих к механическому разрушению изоляции;
         - исключение больших пусковых токов в сетях, что особенно важно для районов с недостаточной мощностью электроэнергетических систем, например, на нефтепромыслах и по пути следования нефте- и газопроводов;
         - снижение энергопотребления, так как из-за ограничений на количество пусков на практике часто отказываются от отключения агрегатов во время перерывов в работе или в выходные дни, соглашаясь с непроизводительными затратами электроэнергии;
         - повышение долговечности коммутационной аппаратуры.
        Понимание перспектив полупроводниковых систем управления асинхронными двигателями в коллективе молодых тогда сотрудников (И.Я. Браславского, О.Б. Зубрицкого, В.В. Куцина, Н.Д. Ясенева) кафедры ЭАПУ УГТУ-УПИ, возглавляемой профессором В.А. Шубенко, возникло практически сразу же, вслед за появлением первых отечественных силовых полупроводниковых управляемых вентилей - тиристоров. Начальный период создания устройств плавного пуска характеризовался поиском рациональных структур силовых цепей и схем управления, разработкой методов анализа, исследованием энергетических характеристик и режимов работы асинхронных двигателей с тиристорный управлением, получившем название "фазового" управления. Наиболее известные работы этого периода [1-5], а завершение цикла этих исследований получило отражение в [6].
        В дальнейшем коллектив исследователей кафедры, занимающихся проблемой асинхронного электропривода с фазовым управлением, расширился, в него влились свежие силы, подготовленные кафедрой (В.М. Валек, A.M. Зюзев, А.Е. Ольков, Ю.Г. Силуков, Ц.Ф. Тетяев, А.Н. Черкасский), а возглавил работу И.Я. Браславский. Усилия разработчиков в лот период были направлены на совершенствование конструкций, расширение областей применения УПП и создание на их основе систем электропривода, которые стали представлять как "массовый электропривод", подчеркивая его эффективность при сравнительно невысокой стоимости. Эти электроприводы, построенные на базе асинхронного электродвигателя (АД) с тиристорным преобразователем переменного напряжения (ТПН), получили название систем ТПН-АД. На этом этапе в результате проведенных исследований были получены расчётные модели систем ТПН-АД и предложены методы синтеза рациональных структур, основанные на использовании приёмов технической линеаризации систем автомтического регулирования. Коллектив в это время активно сотрудничал с головным институтом ВНИИэлектропривод. Основные результаты работ представлены в [7-14], защищены рядом авторских свидетельств на изобретения, неоднократно демонстрировались на ВДНХ СССР и были отмечены медалями выставки. Однако, наиболее заметным результатом этого периода можно считать разработку и внедрение в серийное производство в Запорожском ПО «Преобразователь» системы тиристорного управления асинхронными электроприводами типа ТСУР, а также итоговую монографию [15].
        Появление микропроцессорных средств и перспективы их применения в системах управления электроприводами, в том числе в системах ТПН-АД, инициировало новый этап в работах "фазового" коллектива, который к этому времени вновь пополнился молодыми выпускниками кафедры (А.А. Бурлаков, Д.Г. Тимофеев, Н.П. Трусов, СИ. Шилин). Использование микропроцессорных средств позволило значительно улучшить характеристики систем ТПН-АД, расширить их функциональные возможности, повысить надежность, достаточно просто решить задачу объединения с системами автоматизации различных уровней. К этому периоду можно отнести [16-20], где особое внимание уделялось анализу динамических свойств систем ТПН-АД с цифровым управлением. Характерно, что одной из основных областей применения систем ТПН-АД в этот период, как и на начальном этапе его развития, считался позиционный электропривод, включая электропривод подъемно-транспортных механизмов. С появлением вполне доступных по цене преобразователей частоты эта область приложений систем ТПН-АД стала заметно сужаться, оставаясь привлекательной только для малобюджетных проектов.
        В последние годы потребители проявляют повышенный интерес к высоковольтным пусковым устройствам (НПУ) или High Voltage Starter (HVS), что обусловлено значительным эффектом, который обеспечивают эти устройства в различных отраслях хозяйства. Они рекомендуются для пуска в ход двигателей мощных вентиляторов, компрессоров, насосов. При использовании ВПУ ослабляются все негативные явления, характерные для прямого пуска, в результате удастся практически снять ограничения на количество пусков двигателя за время эксплуатации. За счёт этого обеспечиваются минимальные сроки окупаемости ВПУ при внедрении. С появлением высоковольтных тиристоров производители приступили к разработке и выпуску УПП, предназначенных для управления как асинхронными, так и синхронными высоковольтными двигателями. В работах последних лет [21-25] коллектива, в состав которого вошли и успешно работают молодые сотрудники: А.В. Костылев, Д.П. Степанюк, Д.В. Мезеушева и студент К.Е. Нестеров, значительное внимание стало уделяться проблеме электромагнитной совместимости ТПН с сетью, разработке бестахогенераторных систем ТПН-АД, созданию программного обеспечения для проектирования и эксплуатации электроприводов, включая системы ТПН-АД, а также специальным вопросам применения систем ТПН-АД в электроприводах агрегатов нефтегазового комплекса.
        В итоге за весь период работы по проблеме асинхронного электропривода с тиристорным управлением коллективом опубликовано более 150 научных работ, получено 16 авторских свидетельств на изобретения, зарегистрирована одна программа для ЭВМ, защищено 11 кандидатских и одна докторская диссертация.
        Безусловно, более дорогие по сравнению с нерегулируемым приводом системы ТПН-АД, тем не менее, как показывает опыт, очень быстро окупают себя, позволяя сократить затраты на электроэнергию и продлить срок службы оборудования. Анализ технического уровня устройств плавного пуска для управления асинхронными и синхронными двигателями, производимых различными фирмами, позволяет сделать следующие выводы. При построении современных УПП так же, как и в преобразователях частоты, используются высокие технологии с применением в основном тиристорных ключей и реализацией алгоритмов управления на основе современной микропроцессорной техники. В маломощных пусковых устройствах применяются симисторы, транзисторы практически не используются. Силовые ключи высоковольтных пускателей собираются на тиристорных столбах, а для связи с системой управления применяются оптоволоконные линии.
        Производителями преимущественно выпускаются пусковые тиристорные устройства, рассчитанные на включение в статорные цепи двигателей, и только некоторые фирмы имеют в каталогах своей продукции пускорегулирующие устройства, предназначенные для управления роторными цепями асинхронных двигателей. Основной структурой силовых цепей является структура трёхфазного симметричного нереверсивного преобразователя напряжения, выполненного на основе трёх пар встречно-параллельно включенных тиристоров. Обратим внимание, что практически отсутствуют реверсивные (с полупроводниковым реверсором) пускатели и очень редко встречаются устройства плавного пуска с функцией торможения. Формирование напряжения на выходе всех преобразователей осуществляется фазовым способом, т.е. изменением угла открытия тиристоров. При этом производители не сообщают о способах синхронизации системы импульсно-фазового управления, однако по опыту работы с некоторыми из устройств, а также судя по ряду косвенных показателей, можно заключить, что синхронизация осуществляется преимущественно по напряжению сети.
        В каталогах отсутствуют сведения о необходимости применения фильтров электромагнитной совместимости (ЭМС), ограничения dU/dt и синусоидальных фильтров, которые принято устанавливать, например, в преобразователях частоты или управляемых выпрямителях. Представляется, что необходимость применения фильтрокомпенсирующих устройств в тиристорных пускателях остается еще недостаточно изученной.
        В системах автоматического управления тиристорными пусковыми устройствами изготовители ограничиваются контуром регулирования тока статора, обеспечивающим функцию токоограничения при пуске двигателя. Системы управления с обратной связью по скорости и, тем более, позиционные системы с обратной связью по положению практически отсутствуют. Основным типом системы управления является разомкнутая система с временной диаграммой формирования напряжения при пуске. При этом предусматриваются достаточно широкие возможности по заданию параметров указанных диаграмм. Тем не менее, надо иметь ввиду, что такие системы принципиально не способны обеспечить заданные параметры пускового процесса (ускорение, рывок) при изменении условий нагружения или момента инерции механизма. Это возможно только в системах с обратной связью по скорости, но для этого требуется датчик скорости (для массового электропривода такой датчик неприемлем) или бестахогенераторный вычислитель скорости, который в структурах систем привода, производимых фирмами, отсутствует.
        Активно рекламируется и всеми изготовителями устройств плавного пуска поддерживается функция энергосбережения, вызывающая снижение напряжения на недогруженном двигателе. При этом не приводятся данные о коэффициенте мощности комплекса "преобразователь-двигатель". Более того, проверка индикации коэффициента мощности на одном из тестируемых пускателей инофирмы показала, например, что измеренные значения относятся не к сети, а к зажимам двигателя.
        Во всех устройствах предусматривается функция шунтирования силовых ключей. Заключается она в том, что после запуска двигателя тиристорный пускатель можно зашунтировать, т.е. вывести из цепи питания двигателя и запустить с его помощью следующий агрегат. Аналогично поступают и при выводе двигателя из работы, т.е. сначала переключают работающий двигатель на тиристорный пускатель, а затем останавливают двигатель, управляя преобразователем. При этом все функции защиты и диагностики сохраняются только для последнего включенного двигателя, если пускатель остается в работе. Очевидно, все переключения контакторов выполняются в бестоковую паузу, обеспечиваемую тиристорным пускателем. Отличия в исполнениях пускателей, рассчитанных на работу с шунтированием, заключаются в наличии или отсутствии самих шунтирующих контакторов в составе устройства, а также в мощности охладителей, которые могут отсутствовать вовсе.
        Ввод параметров и индикация состояния УПП осуществляются посредством терминала пульта местного управления, расположенного на устройстве. Терминал, как правило, содержит минимальную клавиатуру и дисплей. После ввода основных параметров двигателя настройка устройства в наиболее совершенных из них производится в автоматическом режиме.
        Ввод команд управления приводом может осуществляться как с пульта местного управления, так и с пульта дистанционного управления или от автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). В объектно-ориентированных устройствах предусматриваются функции контроля и регулирования технологических параметров, например, максимальной и минимальной технологической нагрузки, количества пусков и т.п.
        Предусматриваются всесторонний контроль работы привода и его диагностика. В аномальных режимах на дисплей терминала выводятся сообщения о виде неисправности или предупреждения, которые записываются в диагностический буфер.
        Наиболее распространенные функции защиты:
        - тепловая (времятоковая) защита двигателя и преобразователя;
        - максимально-токовая защита преобразователя;
        - защита от пропадания фаз и несимметрии питающего напряжения;
        - защита от пониженного или повышенного напряжения в сети;
        - защита от изменения последовательности фаз (для нефте-, газопромыслов весьма актуальная);
        - защита от пуска двигателя с заклиненным ротором и т. д.
        По исполнению устройства плавного пуска малой и средней мощности выполняются преимущественно в виде блоков с минимальной степенью защиты, предназначенных для встраивания в шкафы. Высоковольтные устройства изготавливаются в шкафных конструкциях. Стремление уменьшить габариты устройств приводит к необходимости применения в системах охлаждения принудительной вентиляции. Важно отметить, что устройства общего назначения имеют рабочий диапазон температур от 0 до + 40°С, при этом минимальная температура хранения ограничивается значением - 20°С.
        Перечисленные задачи, связанные с диагностикой и защитой асинхронных электроприводов на основе систем ТПН-АД, вопросы создания объектнооринтированных электроприводов для различных производственных механизмов в комплексе с системами технологической автоматики, разработка энергосберегающих технологий являются в настоящее время приоритетными направлениями исследований научного коллектива кафедры, выполняющего научно-исследовательские работы в области асинхронных электроприводов, построенных с использованием систем "тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель".

Список литературы:

        1. Шубенко В.А., БраславскнЙ И.Я., Купим В.В. Быстродействующий тиристорный электропривод переменного тока с управлением от цифровой следящем системы // Электричество. 1965. № 9. С.31-35.
        2. Шубенко В.А., БраславскнЙ И.Я., Шрейнер Р.Т. Асинхронный электропривод стиристорпым управлением. М.: Энергия, 1967.
        3. Шубенке В.А., БраславскнЙ И.Я., Ясенев Н.Д. Улучшение регулировочных и динамических свойств асинхронных двигателей при тиристориом управлении // Электричество. 1968. № 6. С.29-32.
        4. Шубенко В.А., Браславский И.Я., Кирпичников В.М., Ковшов А.Н. К исследованию динамики пуска асинхронных двигателей при тиристориом управлении // Электротехника. 1969. №6. С. 1-3.
        5. Шубенко В.А., Браславский И.Я., Зубрицкий О.Б. Об особенностях работы тиристорного двухполупериодного мостового выпрямителя при динамическом торможении асинхронного двигателя//Изв. вузов. Горный журнал. 1970. №8. С.141-145.
        6. Шубенко В.А., Браславский И.Я. Тиристорный асинхронный электропривод с фазовым управлением. М.: Энергия, 1972.
        7. БраславскнЙ И.Я., Зубрицкий О.Б., Зюзев A.M. и др. Позиционный тиристорный асинхронный электропривод с управлением от следящей системы // ЭП. Электропривод. 1973. № 1(18).
        8. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Рациональные тиристорные схемы динамического торможения асинхронных двигателей // ЭП. Электропривод. 1976. № 1(45). С. 15—16.
        9. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Тетяев Е.Ф. Управление тормозными режимами тиристорных асинхронных электроприводов // Электротехника. 1976. № 3.
        10. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Кокшаров Л.П. Рациональные структуры систем тиристорного асинхронного электропривода с фазовым управлением // ЭП. Электропривод. 1979.2(73).
        11. Браславский И.Я., Зюзев А.М., Кокшаров Л.П. Система управления тиристорным преобразователем для асинхронных реверсивных электроприводов // ЭП. Электропривод. 1981. № 5(94). С. 31 - 38.
        12. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Кокшаров Л.П. Линеаризация САР скорости асинхронного электропривода с тиристорным фазовым управлением // Электричество. 1981. № 12. С.43-46.
        13. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Исследование частотных характеристик асинхронных трехфазных электродвигателей при различных способах параметрического управления / Изв. вузов. Электромеханика. 1982. № 3. С.11-14.
        14. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Регулирование скорости тиристорных асинхронных электроприводов с параметрическим управлением//Электричество. 1985. № 1. С.27-32.
        15. Браславский И.Я. Асинхронный, полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1988.
        16. Владев И.Л., Данилевский В.Н., Ионов П.Б. и др. Сбалансированные манипуляторы. М.: Машиностроение, 1988.
        17. Браславский И.Я., Зюзев A.M. Электроприводы на основе систем «Тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель» с аналоговым и цифровым управлением для механизмов робототехнических комплексов //Автоматизированный электропривод. М.: Энергоатомиздат, 1990. С.439-443.
        18. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Шилин СИ. Синтез цифровых регуляторов для систем управления скоростью асинхронных тиристорных электроприводов//Электротехника. 1991. № 10. С.17-19.
        19. Браславский И.Я., Зюзев А.М., Шилин СИ. Микропроцессорный контроллер для управления позиционным асинхронным электроприводом с тиристорным преобразователем напряжения // Электротехника. 1994. № 7. С17-19.
        20. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Шилин СИ. Тиристорный преобразователь напряжения в асинхронных электроприводах с микропроцессорным управлением // Электротехника. 1996. № 6. С.36-39.
        21. Зюзев А.М. Технологический электропривод системы ТПН-АД для агрегатов нефтегазового комплекса // Электротехника. 1998. № 8. С.45-48.
        22. Зюзев A.M., Костылей Л.В. Сравнительный анализ динамических свойств тиристорных преобразователей переменного напряжения с синхронизацией СИФУ по напряжению сети и по току статора // Автоматизация и прогрессивные технологии: Труды 2-й межвузовской отраслевой науч.-техн. конф. Новоуральск: НИИ МИФИ, 1999. Ч. I. С. 207-209.
        23. Зюзев A.M., Костылев А.Н. К вопросу электромагнитной совместимости системы ТПН-АД с сетью// Вопросы совершенствования электротехнического оборудования и электротсхнологий: Вестник Урал. гос. техн. ун-та. Екатеринбург, 2000. Вып.8. C.167-I69.
        24. Браславский И.Я., Зюзев A.M., Костылев А.В. Баланс реактивной мощности в системе тиристорный преобразователь напряжения - асинхронный двигатель // Электротехника. 2000. №1. С.30-33.
        25. Свид. о регистрации программы для ЭВМ № 2003612480 РФ. Программный моделирующий комплекс "Электропривод на базе асинхронного двигателя" ("Элла-Да") / A.M.Зюзев, К.Е.Нестеров, А.С.Попов. М.: Роспатент, 12.11.2003.