2.2. Електричні схеми безконтактних пускачів змінного струму.

Безконтактні пускачі, що виконані на напівпровідникових приладах тиристорах і симисторах, мають ряд переваг перед магнітними пускачами й станціями, виконаними на електромагнітних контакторах і реле. На відміну від контакторів і реле, підданих механічному й електричному зношуванню контактів, термін служби цих приладів мало залежить від числа включень і вимикань навантаження. За рахунок високої швидкодії й незначної потужності ланцюгів керування, безконтактні пускачі знаходять застосування в сучасних електроприводах з дистанційним мікропроцесорним і мікроконтролерним керуванням, сумісні з ЕОМ.

Серйозним загальним недоліком асинхронного електропривода прямого пуску є наявність у двигунах ударних знакозмінних моментів електромагнітного походження, які підвищують рівень вібрацій і знижують надійність привода. Поява динамічних моментів пов’язана з особливостями електромагнітних перехідних процесів в асинхронних електродвигунах.

Очевидно, що внаслідок високої швидкодії безконтактні пускачі можуть управляти динамічними характеристиками й здійснювати діагностику електропривода. Різноманіття способів керування динамічними характеристиками асинхронних двигунів визначено неоднозначними зв'язками миттєвих значень електромагнітного моменту двигуна М с його кутовою швидкістю _r і параметрами двигуна Z, значеннями й характером трифазної системи живлячих напруг u, а також з похідними цих величин й їхніх початкових значень:

.

На основі аналізу наведених залежностей електромагнітного моменту від параметрів двигуна й параметрів трифазної системи напруг, розроблений метод керування швидкістю зміни магнітного потоку впливом на перехідну складову струму намагнічування. Такий метод припускає дотримання певної детермінованої послідовності підключення до мережі фаз електродвигуна.

При включенні фаз двигуна під синусоїдальну напругу

,

де α - фаза включення по напрузі, струм перехідного процесу одержують у вигляді суми двох доданків:

,

де – постійна часу включення кола; L_К – індуктивність кола; r_к – активний опір; А – постійна інтегрування.

Перший доданок є сталим (змушеним) струмом

,

де φ_К - фаза включення по струму.

Другий доданок – перехідна (вільна) складова струму включення.

З нульової початкової умови (до включення у колу струму не було), , знаходять постійну інтегрування А, поклавши :

або ,

де - амплітуда фазного струму, - повний опір фази.

З урахуванням знайденого вираження для постійної інтегрування А одержують рівняння струму у вигляді:

.

З даного рівняння видно, що початкове значення аперіодичного перехідного струму

залежить від фази включення по напрузі α.

Якщо фаза включення , то , і початкове значення аперіодичної складовій струму дає найбільше можливе значення, рівне амплітуді сталого струму короткого замикання = .

Підключення двох фаз у такий несприятливий момент часу приводить до утворення в машині двох складових магнітного потоку: пульсуючого потоку від сталого струму й нерухомого магнітного потоку від аперіодичного струму . Кожний із цих магнітних потоків створює відповідний електромагнітний момент.

Пульсуюча перехідна складова моменту накладається на постійну складову, утворену змушеними складовими струму й магнітного потоку ротора. Спільна дія перехідної й постійної складових створює ударний знакозмінний перехідний електромагнітний момент.

Включення, третьої фази що залишилося, в максимумі фазної напруги розглядають аналогічно. Якщо включення відбувається в момент часу , то аперіодична складова струму = 0, режим кола встановлюється без утворення аперіодичної складової, одержують позитивну мить часу для включення.

Даний метод реалізований у безконтактному пускачі пофазного безударного пуску, рис. 7.10. Натисканням кнопки SB1 - „пуск” подається керуючий сигнал як на спрацьовування симисторного пристрою VS1- VS3, так і на спрацьовування електромагнітного контактора КМ1. Симисторний комутатор, що володіє більшою швидкодією, здійснює пофазне підключення двигуна до мережі в заданій фазі напруг, після чого головними контактами КМ1.3 контактор шунтує симистори, а допоміжним контактом КМ1.2 знімає живлення з кіл керування симисторами.

Фазове керування безконтактним пускачем полягає в наступному. При натисканні кнопки SB1 – „пуск” керуючий сигнал подається через дільник напруги R1R3 на вхід 4 компаратори DA1. На другий вхід компаратора 3 напруга надходить через дільник й інтегруючий ланцюжок R2C1. Інтегруючий ланцюжок формує зсув фаз між напругою U₁ першого входу 4 і напругою U₂ другого входу 3. Епюри напруг, що пояснюють роботу схеми, наведені на рис. 7.11. Резистор R4 служить для регулювання зсуву фази напруги U₂ щодо напруги U₁ (формування затримки).

Рис. 7.10. Принципова електрична схема безконтактного пускача.

При зростанні U_ВХ = U₁ у момент часу від 0 до t₁ напруга U₂ буде менше напруги U₁, при цьому напруга на виході компаратора 9 буде дорівнювати нулю. Після досягнення напругою U₁ максимуму, вона буде зменшуватися. У момент часу t₁ напруга U₂ стане більше U₁, при цьому на виході компаратора 9 установитися одиничний сигнал. Цей сигнал (позитивний фронт) надходить на тактовий вхід 3 тригери DD1-1, при цьому його вихід 5 установлюється в одиничний стан, що є сигналом відкриття транзистора VT1, тиристорів VS4 й VS4, і симисторов VS2 й VS3. Цей же одиничний сигнал надходить на вхід інвертора DD2-1 і його вихід установлюється в нульовий стан, вихід 9 тригера DD1-2 також залишається в нульовому стані.

У момент часу t₂ напруга U₂ на вході компаратора 3 стане менше напруги U₁ на вході компаратора 4, при цьому компаратор перемикається й на його виході 9 установлюється нульовий стан, на виході інвертора DD2-1 установлюється одиничний сигнал, що надходить на вхід 11 тригера DD1-2. При цьому на виході тригера 9 так само встановлюється одиничний сигнал, що є сигналом відкриття транзистора VT2, тиристора VS6 і симистора VS1.

Резистор R6 служить для узгодження виходу компаратора із ТТЛ рівнем (вихід компаратора - відкритий колектор). Ланцюжок R8C2 й R7C3 служать для втримання виходу тригера DD1-1 й DD1-2 у нульовому стані при подачі живлення на схему. Для виключення „дребезга” компаратора при його перемиканні на низькій частоті через вплив наведень і перешкод, у схему уведений резистор R5, що створює гістерезисний зворотний зв'язок.

На рис. 7.12 показані осцилограми перехідних процесів у двигуні АМШ-70-6 при прямому (а) і пофазному (б) підключенні до мережі. Осцилограми наочно показують, що при пофазному пуску перехідні знакозмінні моменти практично відсутні, що приводить до зниження пускового навантаження й вібрацій електричного привода.

Рис. 7.11. Епюри напруг, що пояснюють роботу схеми безконтактного пускача:

а- лінійна й фазна напруги мережі; б - вхід компаратора напруги DA1; в - вихід компаратора напруги DA1; м - вихід інвертора DD2-1; д - вихід тригера DD1-2; е - вихід тригера DD1-1.

При використанні пускачів пофазного пуску не відбувається зниження перевантажувальної здатності й часу пуску, як це відбувається у відомих пристроях плавного пуску (софтстартерах). Крім того, симисторний комутатор перебуває під пусковим струмом усього кілька періодів змінної напруги, що дозволяє використати симистори малої потужності. Сам комутатор при цьому може бути використаний як додатковий блок до вже наявних пускових станцій. Даний блок на порядок менше контактного пускача й може бути встановлений під час ремонту й модернізації корабельного електроустаткування.

Рис. 7.12. Осцилограми електромагнітних моментів двигуна АМШ-70-6: а) -прямий пуск; б - прямий пуск при пофазному включенні.

Для реверсивного електропривода, що працює в повторно-короткочасному режимі із частими пусками, застосування безконтактних пускачів обґрунтовано невисокою надійністю електромагнітних пускачів. Більшої частиною в корабельних реверсивних приводах (шпилі, брашпилі, вантажопідйомні механізми) використовують двигуни потужністю не більше 10-25 квт. Тому розробка малогабаритних, надійних реверсивних безконтактних пускачів потужністю до 25 квт дозволить вирішити проблему безударного пуску сучасних електроприводів при проектуванні й модернізації кораблів.