В данной работе оценивается производительность двигателя с расщепленной фазой и приводов трехфазного асинхронного двигателя для плавного пуска. В работе систематично исследуются и сравниваются характеристики переменного напряжения привода подачи асинхронного двигателя для двух различных типов безударных пускателей; один на основе биполярного транзистора с изолированным затвором, а другой на основе тиристора. Экспериментальное обоснование выполнено с помощью аналоговой контурной системы, разработанной в лаборатории. Новизна работы состоит в разработке простых и гибких имитационных моделей и экспериментального обоснования.
Ключевые слова: Электропривод переменной скорости, Безударный пускатель, Тиристор, Биполярный транзистор с изолированным затвором.
Непосредственный неавтономный запуск больших асинхронных двигателей представляет значительную проблему как для сети, так и для самого двигателя из-за внезапных падений напряжения и больших колебаний момента вращения, что рассматривалось в работах Уильямса и Гриффита (1978), Брюса и др. (1984), а также Невелстина и Арагона (1989). Временами из-за реле отключения при понижении напряжения и перегрузке двигатель может не запускаться. Вместо этого используется пуск при пониженном напряжении специально для запуска больших асинхронных машин с использованием автотрансформатора. Однако объем и стоимость автотрансформаторов ограничивает их использование. Пускатели асинхронных двигателей на основе силового электронного преобразователя, чаще называемые безударным пускателем, обретают популярность и быстро заменяют традиционные пускатели при пониженном напряжении с использованием автотрансформаторов, как указывается в работах Шефарда (1976), Mazda (1973), Моздера и Босе (1976), Рашида (1993), Рована и Меррисона (1991), Липо (1971a) и Липо (1971b). Как правило, используются две конфигурации безударных пускателей
Безударные пускатели на основе тиристора экономичны, просты в работе и надежны. Их можно экономично использовать при запуске больших асинхронных двигателей среднего напряжения, в которых низкое требование пускового момента. При использовании пускателя на основе силового электронного преобразователя, начальный пусковой ток двигателя может быть значительно понижен. Кроме того они обеспечивают плавное ускорение, облегчают осуществление регулирования тока, а также при частичной нагрузке способствуют экономии энергии. Тиристоры изначально запускаются с бoльшим углом зажигания (при пониженном напряжении) с мягким пуском, сопровождаемым уменьшением угла зажигания и впоследствии повышением напряжения, приложенного к двигателю. Начальный пусковой момент после простоя асинхронного двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения. Таким образом, это, безусловно, оказывает влияние на запуск асинхронного двигателя под нагрузкой. Кроме того качество выходного напряжения низкое с сильным искажением и низким коэффициентом мощности. Проблема более высокого суммарного значения коэффициента нелинейных искажений наиболее очевидна при большом угле зажигания. Данный метод очень эффективен, если двигатель работает в условиях незначительной нагрузки, что продемонстрировано в работах Эльтамали и др. (2007a), Эльтамали и др. (2007b), Васкеса и др. (2008) и Хамеда и Челмерза (1990).
Во всем мире предпринимались многочисленные попытки повысить производительность безударных пускателей, и было реализовано несколько различных вариантов: Хьюн и Чоу (1998), Делерои и др. (1989), Зенгинобуз и др. (2004), Гастли и Ахмед (2005), и Кашиф и Сакиб (2007). Хьюн и Чоу (1998) предлагают применять регулятор ступенчатого повышения/понижения переменного напряжения с использованием трансформатора с переключателем выходных обмоток и ШИМ-прерывателем. Предложенная конфигурация регулятора может повышать или понижать выходное напряжение переключателем выходных обмоток трансформатора и позволяет отрегулировать точную нагрузку выходного напряжения с помощью ШИМ-прерывателя. Главным улучшением данной схемы является непрерывный входной переменный ток, в отличие от традиционного регулятора переменного тока, в котором входной ток может прерываться. В работе Делерои и др. (1989) переключательная функция определяется на основе угла отпирания тиристора и реализована в регуляторе. Переходные характеристики значительно улучшаются при использовании такой методики. Производительность пускателя асинхронного двигателя с применением безударного пускателя значительно повышена в работах Зенгинобуз (2004), где запуск оптимизирован таким образом, чтобы устранить пульсацию момента частоты сети. Гастли и Ахмед (2005), а также Кашиф и Сакиб (2007) для улучшения пусковых характеристик применяли методы, базирующиеся на искусственном интеллекте. Позже Джонг и др. (2009) адаптировали схему плавного пуска управления насосом для улучшения режима запуска асинхронной машины. ШИМ-сигналы вырабатываются блоком управления, который запускает тиристоры для поддержания тока в нормативных пределах. Управление насосом является методом контроля по крутящему моменту, в котором используется ПИД-регулятор для настройки вращающего момента. С другой стороны Бернатт и др. (2009), предложили особую конструкцию роторной клетки большой асинхронной машины для улучшения пусковых характеристик. Эльтамали и др. (2009) предложили цифровую пусковую схему двунаправленных тиристоров на основе используемой формы входа. Датчик определяет режим работы, и соответственно формируются симисторные селекторные импульсы. Чарльз и Бхувамешвари (2009) применили шунтовой активный фильтр между регулятором напряжения переменного тока и входным источником питания, чтобы устранить проблему качества электроэнергии, возникающую при самостоятельной работе регулятора напряжения переменного тока.
В данной работе мы остановились на классической конфигурации безударного пускателя с тиристором и переключателями мощности с биполярным транзистором с изолированным затвором как для однофазных, так и для трехфазных асинхронных двигателей. Полная имитационная модель получается при использовании программного обеспечения от Matlab/Simulink для предложенных конфигураций. Затем в лаборатории был разработан безударный пускатель на основе прототипной аналоговой схемы, а результаты моделирования были проверены во время его экспериментального внедрения. Таким образом, основные задачи данной работы включают разработку простой и гибкой имитационной модели для безударных пускателей асинхронных машин. Режим работы пускателей можно легко проверить с помощью предложенных имитационных моделей. Работа подразделяется на пять глав; в первой главе рассматривается однофазная система, во второй детально описано внедрение трехфазной приводной системы, в третьей представлено подробное описание экспериментального исследования с последующими Заключением и Библиографией.
На сегодняшний день почти все процессы и методы сначала моделируются, до их фактической реализации. Это значительно снижает количество попыток и затраты на фактическую реализацию. Эксплуатационные характеристики системы/процесса/метода можно точно оценить с помощью соответствующих имитационных моделей. Таким образом, модели должны быть гибкими и точными, а также учитывать проблемы фактической реализации. В данный момент благодаря стремительному развитию аппаратного и программного обеспечения доступны новые более быстрые и удобные для использования пакеты программ для моделирования. В данной работе обсуждается использование одного из таких пакетов программ SIMULINK от MATLAB. Главным преимуществом SIMULINK по сравнению с другими программными средствами является то, что вместо компиляции имитационная модель строится систематически при помощи блоков функций. Набор машинных дифференциальных уравнений можно моделировать путем объединения соответствующих блоков, каждый из которых выполняет определенную математическую операцию. Трудоемкость программирования максимально снижена, и значительно упрощено устранение ошибок. Если используется SIMULINK в качестве программы для моделирования, имитационную модель можно легко расширить посредством добавления новых вспомогательных моделей, чтобы учесть различные функции управления. Асинхронный двигатель может быть включен в полную приводную систему электродвигателя от Simulink Library. Моделирование однофазного и трехфазного регуляторов напряжения от Simulink строятся в двух вариантах, т.е. с тиристором и биполярным транзистором с изолированным затвором, а результаты оцениваются в последующих главах.
Полная имитационная модель однофазного регулятора напряжения для мягкого пуска асинхронной машины с использованием тиристоров показана на Рисунке 1. Однофазное синусоидальное напряжение вырабатывается с применением блока источника напряжения от Simulink Library. Селекторные импульсы, вырабатываемые подсистемой (см. Рисунок 2) передаются на встречно-параллельные тиристоры. Сигналы переключения имеют значение либо 0 (выключить), либо 1 (включить). За нагрузку взято простое соотношение индуктивности и сопротивления и конденсаторный пуск с расщеплённой фазой. Модель, показанная на Рис. 1, изображает соотношение нагрузки индуктивности и сопротивления, в то время как двигатель просто вытесняет эту нагрузку, а результаты отдельно проработаны как для соотношения нагрузки индуктивности и сопротивления, так и для нагрузки двигателя. Имитация выполняется для определения суммарного коэффициента гармонических искажений выходного тока
Регулируемые пределы угла отпирания (α) составляют от α = 0 до α = π/2. Суммарное значение коэффициента нелинейных искажений возрастает до бoльших значений ?, что означает возросшее значение гармоники в линейном токе и напряжении. Следует отметить, что суммарное значение коэффициента нелинейных искажений значительно ниже для нагрузки двигателя по сравнению с соотношением индуктивности и сопротивления. Реакция частоты вращения двигателя на различные углы прохождения тока изображена на Рисунке 3. Здесь отчетливо видно, что реакция быстрее для меньшего угла прохождения тока, а медленнее она становится для постепенно возрастающего угла. Очевидной причиной этого является более низкое среднее выходное напряжение.
В ответ крутящего момента и статора и формы сигнала потока ротора двигателя расщепленной фазы для угла проводимости из 60 ° показаны на рисунках 4-5. Типичной реакцией двигателя не наблюдается, ток статора и крутящий момент имеют постоянное значения. После того, двигатель достигает своей постоянной скорости. С другой стороны, следует отметить, что быстродействие содержит рябь.
