Электрооборудование нефтяной промышленности

Рис. 5.7. Схема автоматического пуска асинхронного двигателя

У п р а в л е н и е в ф у н к ц и и в р е м е н и . Схема управления автоматического пуска асинхронного двигателя с фазным ро­ тором в две ступени в функции времени (рис. 5.7, а) содержит кнопки управления SB1 (останов) и SB2 (пуск), линейный контактор КМ, обеспечивающий подключение двигателя М к сети, и контакторы ускорения КМ1 и КМ2 для выключения (закорачивания) пусковых резисторов R1 и R2. В качестве дат­ чиков времени в схеме используются электромагнитные реле времени КТ1, КТ2.

При пуске схема работает следующим образом. При подаче напряжения на систему управления срабатывает реле КТ1, раз­ мыкая свой размыкающий контакт в цепи катушки контактора КМ1. Схема подготовлена к пуску. Пуск двигателя осуществля­ ется нажатием кнопки SB2, в результате чего получает питание катушка контактора КМ. Включившись, он своими главными контактами подключает двигатель к сети. Двигатель начинает разгоняться с сопротивлением R1+R2 в цепи ротора. Одновре­ менно замыкающий вспомогательный контакт (блок-контакт) контактора КМ шунтирует кнопку SB2, и она может быть от­ пущена оператором, а размыкающий контакт КМ размыкает цепь питания реле времени КТ1. Реле времени, потеряв пита­ ние, начинает отсчет выдержки времени А^р.вь соответствующей времени работы на первой ступени. Через интервал времени Д/р.ш размыкающий контакт КТ1 замкнется в цепи контактора КМ1, последний включится и своими главными контактами за­ коротит пусковые резисторы R1. Двигатель начнет разгон на искусственной механической характеристике, соответствующей сопротивлению R2 в цепи ротора. Одновременно контактор КМ1 своими блок-контактами разрывает цепь питания катушки реле времени КТ2, которое начинает отсчет выдержки времени Д^Р.В2»

150

соответствующей времени работы на второй ступени. Через ин­ тервал времени Д^Р.В2 размыкающий контакт К.Т2 замкнется в цепи контактора КМ2, который своими главными контактами закоротит пусковые резисторы R2. Двигатель выйдет на свою естественную характеристику, по которой продолжит свой раз­ бег до точки установившегося режима.

Графики изменения частоты вращения и тока двигателя при пуске рис. 5.7,6 имеют три участка: первые два соответствуют работе двигателя на реостатных, а третий — на естественной характеристиках.

Управление в функции времени можно использовать при тор­ можении (обычно динамическом). К достоинствам этого управ­ ления можно отнести постоянство времени пуска (торможения), простоту и надежность управления. Для различных схем ис­ пользуется однотипная аппаратура, реле времени просты, на­ дежны, легко налаживаются при любом числе пусковых сту­ пеней.

К недостаткам можно отнести возникновение больших толч­ ков тока при пуске двигателей с большим моментом сопротив­ ления.

У п р а в л е н и е в ф у н к ц и и пути. Управление пуском, ре­ версом и остановкой двигателя может осуществляться в функ­ ции пути. Иногда требуется, чтобы производственный механизм

иего отдельные элементы проходили строго определенный путь

сзаданной скоростью, затем останавливались или продолжали

движение, но с другой скоростью. В этих случаях управление электроприводом производится при помощи путевых выключа­ телей. Последние широко применяются при комплексной авто­ матизации для различных блокировок и переключений по за­ данной программе.

К достоинствам управления в функции пути следует отнести простоту и наглядность, возможность простыми средствами по­ лучить сложные блокировочные связи и зависимости, сравни­ тельно простая реализация требуемой последовательности опе­ раций комплекса механизмов.

Управление в функции пути применяется в системах автома­ тизации спуско-подъемных операций буровых установок.

5.5. Полупроводниковые системы управления электроприводами

Существенное влияние на развитие регулируемого электро­ привода оказала разработка в начале 1960-х годов мощных ти­ ристоров. В настоящее время в большинстве регулируемых электроприводов применяются тиристорные преобразователи (ТП), которые вытесняют систему генератор — двигатель.

151

Электроприводы по системе тиристорный преобразователь — двигатель (ТП—Д) имеют следующие особенности: высокое быстродействие; простота конструкции и высокая надежность; высокий (более 95%) номинальный к. п.д. ТП; малые расходы на эксплуатацию; малые габариты, масса, блочная компоновка позволяют сократить требуемые производственные площади и уменьшить капитальные затраты; возможность комплектования средствами вычислительной техники.

Современные микропроцессорные системы управления по­ зволяют в полной мере использовать высокие регулировочные возможности тиристорного управления, поэтому в последнее время тиристорные электроприводы весьма интенсивно разви­ ваются.

В то же время тиристорным электроприводам свойственны следующие недостатки:

значительные пульсации напряжения на выходе ТП, что тре­ бует для улучшения формы кривой выпрямленного тока уста­ новки сглаживающих реакторов;

при глубоком регулировании частоты вращения двигателя низкий коэффициент мощности;

низкая перегрузочная способность; искажение формы напряжения в сети переменного тока;

сложность схем ТП, обеспечивающих тормозные режимы электропривода с рекуперацией энергии в сеть.

Чтобы понять, как работают ТП, рассмотрим сначала схемы

выпрямления, каждая из которых имеет свои достоинства и не­ достатки. Обычно сравнивают технические характеристики схем: число выпрямителей, коэффициент пульсации выпрямлен­ ного напряжения, габаритную мощность трансформаторов.

Однофазная мостовая схема (рис. 5.8, а) содержит четыре.-

Рис. 5.8. Однофазная мостовая схема выпрямления, графики на­ пряжения и тока в трансформаторе, напряжения и тока в на­ грузке

152

диода VI—V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор или напрямую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и вы­ прямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряжения, а в другую (точки 2 и 4)— нагрузка. Общая точка 2 катодных вы­ водов служит положительным полюсом выпрямителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным.

В однофазной мостовой схеме диоды работают поочередно парами VI, V3 и V2, V4 (рис. 5.8,6). В положительный полу-

чение которого У2 U2ф. В отрицательный полупериод ток прохо­ дит через диод V2, нагрузку Ra к диоду V4. При этом обратное напряжение прикладывается к диодам VI и V3.

Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период про­ ходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от выпрямленного напряжения и сопротивления нагрузки.

Выпрямленное напряжение Ua (рис. 5.8, б) имеет постоян­ ную составляющую UH.ср и переменную составляющую t/d— (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсация. При идеальном преобра­ зовании переменного тока в постоянный переменная составляю­ щая равна нулю. Важным показателем работы выпрямителя служит отношение амплитуды переменной составляющей к вы­ прямленному напряжению, называемое коэффициентом пульса­ ции выпрямленного напряжения q= Ud~/UHрс = 2/(m2—1) (m—

число фаз источника).

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций вы­ прямленного напряжения применяют в основном в электроуста­ новках малой мощности.

подключают к обмоткам трансформатора, а катодные выводы — •к общей точке. Нагрузку включают между нулевой точкой трансформатора и общей точкой диодов.

При активной нагрузке RHток через каждый диод протека­ ет в течение !/з периода переменного тока, когда напряжение в одной фазе трансформатора больше, чем в двух других, а вы­ прямленный ток проходит по нагрузке непрерывно (рис. 5.9,в). В момент пересечения положительных значений напряжений каждой фазы трансформатора в точках а, б и б (рис. 5.9,6), называемых точками естественной коммутации диодов, прохож­ дение тока прекращается в одном диоде и начинается в другом.

153

Рис. 5.9. Трехфазная нулевая схема выпрямления, графики напря­ жений, токов и обратного напряжения

Трехфазная нулевая схема позволяет получать выпрямлен­ ное напряжение более сглаженной формы (рис. 5.9,6) с пере­

Наибольшее обратное напряжение Uобршах, поступающее на закрытый диод, равно амплитудному значению линейного на­ пряжения (рис. 5.9,г).

правлении, что создает магнитный поток подмагничивания, вы­ зывающий дополнительный нагрев трансформатора. Поэтому схему применяют в электроустановках с трансформаторами, ток вторичной обмотки которых не превышает 100 А.

Трехфазная мостовая схема выпрямления (рис. 5.10, а) со­ держит шесть диодов, образующих две группы: с общим катод­ ным выводом (VI, V3 и V5) и общим анодным выводом (V2, V4 и V6).

В нечетной группе диоды в течение каждой трети периода работают с наиболее высоким потенциалом анодного вывода (рис. 5.10,6), например, интервал а—6 для диода VI. В четной группе в этот интервал времени работает тот диод, у которого катодный вывод имеет наиболее отрицательный потенциал (ин­

154

Рис. 5.10. Трехфазная мостовая схема выпрямления, графики напряжений и токов

Рис. 5.11. Трехфазная мостовая схема управляемого выпрямителя, графики напряжений

ле г—6 (см. рис. 5.10,6) ток проходит через диод VI, нагрузку

RHи диод V2.

В трехфазной мостовой схеме в любой момент при активной,

тируются в момент пересечения положительных участков сину­ соид (точки а, б, в), а четной группы — в момент пересечения, отрицательных участков (точки г, д, е). В результате при на­ личии двух групп получают шестифазное выпрямление (см. рис.

5.10,6 кривая Udo).

К достоинствам трехфазных мостовых схем, широко приме­ няемых в электроустановках, можно отнести небольшой коэф­ фициент пульсаций выпрямленного напряжения; малое обрат­ ное напряжение; малая габаритная мощность трансформатора;, отсутствие вынужденного подмагничивания из-за того, что ток во вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направле­

с т о я н н ы й с у п р а в л я е м ы м и д и о д а м и (тиристора­ ми). Управляемые тиристорные выпрямители позволяют преоб­ разовать переменный ток в постоянный и плавно изменять вы­ прямленное напряжение от нуля до номинального значения.

Схемы выпрямления для тиристоров аналогичны схемам вы­ прямления с диодами. Для изменения выпрямленного напряже­ ния необходимо иметь специальное устройство, называемое системой импульсно-фазового управления (СИФУ), которое выполняет две функции: формирует управляющий импульс и смещает его по фазе относительно напряжения сети. Устройст­

156

В трехфазной мостовой схеме, где вместо диодов включение тиристоры (рис. 5.11,а), управляющие импульсы £/У1-г-£/у6, по­ ступающие от СИФУ, должны быть соответствующим образом сфазированы с напряжением трансформатора, т. е. подаваться: в нужные моменты времени. Сдвиг импульсов относительно базовой точки происходит в сторону отставания. За базовые необходимо брать точки а, б, в и г, д, с (рис. 5.11,6) естествен­ ного отпирания диодов. Если управляющие импульсы подаватьна тиристоры в базовых точках, то получим наибольшее вы­ прямленное напряжение Udo. При подаче управляющих импуль­ сов с отставанием по отношению к точке естественного отпира­ ния на угол а (рис. 5.11,6) тиристоры открываются позже,, а среднее выпрямленное напряжение Udcр будет меньше, чем наибольшее выпрямленное Udo- Среднее выпрямленное напря­ жение ТП определяется по формуле

U d ср = UdO COS (X,

где а — угол регулирования ТП.

Поскольку трехфазная мостовая схема имеет две группы ти­ ристоров, а ток в любой момент протекает минимум через два

случае имеет место одновременная подача импульсов в тирис­ торы катодной и анодной групп.

Рассмотренные схемы выпрямления не позволяют изменять направление тока в цепи нагрузки. Изменение направления то­ ка в цепи нагрузки может быть осуществлено включением в. силовую цепь реверсора. Однако этот способ не всегда целесо­ образно применять, так как он требует коммутационной аппа­ ратуры в силовой цепи и яри частых реверсах характеризуется: низкой надежностью.

Другой способ — создание реверсивных схем выпрямления,, в которых применяют два комплекта нереверсивных преобра­ зователей. В этом случае первый комплект преобразователя проводит ток в одном направлении (условно «Вперед»), а вто­ рой комплект — в другом направлении (условно «Назад»).

Рассмотрим работу реверсивного преобразователя с нулевой, трехфазной схемой (рис. 5.12). Тиристоры VI, V2 и V3 работа­ ют выпрямителями при положительном напряжении на анодных, выводах, а тиристоры V4, V5 и V6 — при отрицательном напря­ жении на катодных выводах (точки а, Ь, с) .

Управление обеими группами преобразователя осуществля­ ется одновременно или раздельно. При одновременном (сов­ местном) управлении одна группа, работающая выпрямителем^ имеет углы регулирования а< 9 0 °, а другая, работающая инвер­ тором,— углы опережения управления (}>90° (в инверторном режиме происходит преобразование постоянного тока в пере-

157

Группа

Вперед ”

Рис. 5.12. Трехфазная реверсивная нулевая схема управ­ ляемого выпрямителя

■ менный). Сумма углов а+ ф = 180°. Эти углы обеих групп долж­ ны меняться таким образом, чтобы среднее напряжение инвер­ торной группы было несколько большим, чем среднее напряже­ ние выпрямительной группы, на величину падения напряжения на тиристорах.

В схемах с совместным управлением в группах «Вперед», «Назад» и трансформаторе возможны уравнительные токи i yp (см. рис. 5.12), которые, минуя нагрузку, могут достигать опас­ ных для тиристоров значений. Для их ограничения включают уравнительные дроссели LD1 и LD2.

В схемах с раздельным управлением система импульсно-фаз­ ного управления тиристорами имеет устройство, которое вклю­ чает, например, группу «Назад» только в том случае, когда ток в группе «Вперед» падает до нуля. В схемах с раздельным уп­

экономичные электроприводы, так как при реверсе и торможе­ нии запасенную кинетическую энергию в движущихся частях можно возвратить в электрическую сеть.

Тиристорные преобразователи широко применяются для пи­ тания обмоток возбуждения и якорей электродвигателей.

При питании обмотки возбуждения от ТП, которая обладает

цепи обмотки. Обмотка якоря двигателя обладает малой индук­ тивностью. При питании якоря двигателя от ТП необходимо также учитывать, что при вращении последнего возникает про- тиво-э.д. с., которая влияет на работу системы ТП — Д, ухудшая характеристики электропривода. Поэтому в электроустановках •средней и большой мощности в силовой цепи предусматрива­ ется, как правило, сглаживающий дроссель. В СССР для на­

158

земных буровых установок разработаны комплектные тирис­ торные электроприводы постоянного и переменного тока. Элек­ троприводы по системе ТП — Д применяют и в буровых уста­ новках морского бурения.

Существенное увеличение выпуска мощных и надежных си­ ловых тиристоров, значительное уменьшение их стоимости по­ зволяют наряду с широким использованием ТП для приводовпостоянного тока разрабатывать и осваивать выпуск электро­ приводов переменного тока, управляемых от различного ро­ да ТП.

Перспективен привод переменного тока с широким диапазо­ ном регулирования частоты вращения — электропривод с син­ хронным двигателем, управляемым от тиристорного преобразо­ вателя частоты.

Большие возможности получают полупроводниковые системы; управления электроприводом при внедрении силовых транзис­ торов. Преобразователи, построенные на базе силовых транзис­ торов, имеют меньшие габариты и стоимость, чем аналогичныетиристорные. Однако до настоящего времени отсутствует до­ статочный опыт эксплуатации силовых управляемых преобра­ зователей на транзисторах. Силовые транзисторы пока еще менее надежны по сравнению с тиристорами, надежность и долговечность которых подтверждена длительной практикой эксплуатации. Кроме того, максимальные токи и напряжения силовых транзисторов все еще меньше соответствующих пока­ зателей тиристоров. Силовые транзисторы имеют низкую пере­ грузочную способность по току.

5.6. Замкнутые системы автоматизированного электропривода

Системы автоматизированного электропривода подразделя­ ются на разомкнутые и замкнутые (с обратными связями).

В разомкнутых системах изменение регулируемой величины (например частоты вращения двигателя) определяется внутрен­ ними свойствами системы и не корректируется при изменении нагрузки на валу двигателя. Так, двигатели постоянного тока независимого возбуждения и асинхронные двигатели с увеличе­ нием нагрузки от 0 до Мн снижают частоту вращения до 5%,. поэтому поддерживать большую точность в таких системах не­ возможно.

Замкнутая система характеризуется наличием специальных устройств (датчиков), которые измеряют и преобразуют в элек­ трические сигналы частоту вращения, напряжение, ток, момент двигателя. Информация от датчиков используется в системе автоматического управления для поддержания регулируемой величины, например частоты вращения с заданной точностью.

159*