Файл: В.А. Старовойтов Бесконтактное управление асинхронным электродвигателем.pdf

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электропривода и автоматизации

БЕСКОНТАКТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Методические указания к лабораторной работе по курсу «Управление техническими системами» для студентов специальностей 170500, 170100

Составители В.А. Старовойтов Н.М. Шаулева

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 24.10.02 Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170500 Протокол № 3 от 21.11.02 Электронная копия хранится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомиться с элементной базой современных устройств бесконтактного управления асинхронными электродвигателями небольшой мощности, используемых в качестве исполнительных механизмов.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1Изучение настоящих указаний и технических средств, установленных на стенде.

2.2Проведение операций по управлению электродвигателем.

3.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Проблема создания надёжных и экономичных пускозащитных и коммутирующих устройств и аппаратов как элементов электрооборудования для цепей переменного тока имеет весьма важное значение для обеспечения бесперебойности, чёткости и быстродействия работы электроприводов и других энергетических устройств.

В широко применяемых для данных целей контактных устройствах и аппаратах имеются следующие недостатки:

-дугообразование на контактах в момент коммутации и необходимость соответствующих объёмов для дугогашения;

-малая электрическая и механическая износостойкость контактов, особенно при загрязнённом воздухе и повышенной влажности;

-большая инерционность системы при включении и выключении;

-вибрация и подгорание контактов от пусковых токов;

-ограниченная частота включений из-за ионизации воздуха в районе разрыва контактов и их нагрева;

-ограниченный срок службы и относительно низкая надёжность;

-недостаточная вибро- и ударостойкость;

-трудности выполнения при повышенных напряжениях, токах и частоте сети;

-значительные мощности, потребляемые цепями управления;

-наличие эксплуатационных расходов по обслуживанию;

-перенапряжения в момент выключения;

-неодновременность включения по всем фазам;

2

-определённое положение аппарата, определяемое его конструк-

цией;

-невозможность сверхбыстрого отключения при попадании человека под напряжение;

-наличие шума.

Указанные недостатки являются сдерживающими факторами в повышении производительности объектов, укомплектованных контактным коммутирующим и регулирующим электрооборудованием. Несмотря на это, производство контактного электрооборудования занимает в электротехнической промышленности значительный объём и с каждым годом увеличивается, что объясняется необходимостью восполнения выходящего из строя электрооборудования в период эксплуатации и поставкой электрооборудования на вновь вводимые в

строй промышленные объекты.

Интенсивное развитие полупроводниковой техники и промышленное освоение выпуска силовых тиристоров на различные значения токов и напряжения создают реальные возможности производства на базе тиристоров и симметричных тиристоров принципиально новых силовых бесконтактных коммутирующих и регулирующих полупроводниковых устройств электрооборудования (БКПУ) взамен контактных устройств.

Применение тиристоров в роли бесконтактных прерывателей позволяет создать различные типы БКПУ, способные выполнять не только коммутацию, но и другие функции, недоступные контактному пускорегулирующему электрооборудованию. В бесконтактном полупроводниковом электрооборудовании на тиристорах исключены отмеченные недостатки контактного и имеется ряд существенных преимуществ:

-быстродействие системы и хорошая управляемость;

-практическая безынерционность;

-возможность ограничения динамической перегрузки исполнительных механизмов в момент включения (безударный пуск);

-большая избирательность в защитах;

-повышенные срок службы и надёжность;

-технологичность конструкции, отсутствие требований точной сборки;

-простота осуществления реверса и регулируемого электродинамического торможения;

3

-практически неограниченная частота включений;

-возможность использования при частотах до 1000 Гц;

-возможность регулирования выходных параметров по заданному закону, в том числе и плавный разгон электропривода;

-возможность ограничения токов короткого замыкания при применении принудительной коммутации;

-возможность снижения перенапряжений в момент коммутации нагрузки;

-возможность использования однотипных устройств в сетях различного напряжения путём замены тиристоров на тиристоры другого класса;

-допустимость работы в самых сложных климатических услови-

ях;

-простота конструкции во взрывобезопасном исполнении при меньших массо-габаритных показателях.

Особенно перспективно применение БКПУ в трудных климатических условиях, в металлургической, химической, нефтяной, текстильной, станкостроительной промышленностях, в области автоматического управления энергоснабжения и в сельском хозяйстве.

Тиристоры, используемые в БКПУ, являются полупроводниковыми усилителями-выпрямителями.

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Полупроводниковым материалом для изготовления тиристоров служит кремний. Простейшим тиристором с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет дополнительно третий (управляющий) электрод.

Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырёхслойную

структуру с тремя p-n-переходами П1, П2, П3 (рис. 1).

Питающее напряжение подаётся на тиристор таким образом, что

переходы П1 и П3 оказываются открытыми, а переход П2 – закрытым. Сопротивления открытых переходов незначительны, поэтому почти всё

питающее напряжение Uпр приложено к закрытому переходу П2, имеющему высокое сопротивление. Следовательно, ток тиристора мал.

При повышении напряжения Uпр (что достигается увеличением ЭДС источника питания Еа) ток тиристора увеличивается незначитель-

4

но, пока напряжение Uпр не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения Uвкл (рис. 2).

После этого происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда за счёт лавинного умножения носителей заряда в p-n-переходе П2 движущимися электронами и дырками. С увеличением количества носителей заряда ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя n2 и дырки из слоя р1 устремляются в слои р2 и n1 и насыщают их неосновными носителями заряда. Напряжение на резисторе R возрастает, напряжение на тиристоре падает. После пробоя напряжение на тиристоре снижается до значения порядка 0,5 – 1 В. При дальнейшем увеличении Э.Д.С. источника Еа или уменьшении сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком вольт-амперной характеристики. Такой пробой не вызывает разрушения перехода П2. При уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (нисходящая ветвь на рис. 2).

5

Время восстановления сопротивления этого перехода после снятия питающего напряжения обычно составляет 10 – 30 мкс.

Напряжение Uвкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей в любой из слоёв, прилегающих к переходу П2. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в переходе, в связи с чем напряжение включения Uвкл уменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре, представленном на рис. 1, вводятся в слой р2 вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается пробивное напряжение при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис. 2.

Важным параметром триодного тиристора является отпирающий ток управления Iу.вкл – ток управляющего электрода, который обеспечивает переключение тиристора в открытое состояние.

Из рис. 2 видно, что при подаче на тиристор обратного напряжения в нём возникает небольшой ток, так как в этом случае закрыты переходы П1 и П3. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении (который выводит тиристор из строя из-за теплового пробоя перехода) необходимо, чтобы обратное напряжение было меньше Uобр.max.

В симметричных диодных и триодных тиристорах (симисторах) обратная ветвь характеристики совпадает с прямой. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырёхслойных структур или применением специальных пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами.

Симистор – это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 3. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоёв полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 4.

6

Рис. 3. Структура симметРис. 4. Вольт-амперная характеристика ричного тиристора симистора

Как следует из вольт–амперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначения такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления.

Некоторое распространение получили и тиристоры, у которых восстановление высокого сопротивления происходит при подаче небольшого обратного напряжения на управляющий электрод.

В настоящее время выпускают тиристоры на ток до 2000 А и напряжения включения Uвкл ≈ 4000 В.

Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

Основой БКПУ является силовой вентильный блок, состоящий из двух встречно включенных тиристоров или из двух встречно включенных тиристора и диода или из симметричного вентиля. В зависимости от назначения и предъявляемых требований БКПУ может выполняться в различных модификациях с различными функциональными узлами.

7

Так, для асинхронных электроприводов можно с помощью БКПУ осуществлять не только прямое включение электродвигателя и его реверсирование, но и производить плавный пуск, ограничивать пусковые токи, обеспечивать шаговый режим работы электродвигателя, электродинамическое торможение, рекуперацию энергии в сети и т.д.

В настоящем случае целью управления является пуск, остановка и реверсирование трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Для рассматриваемого типа электродвигателей (мощностью до 1,1 кВт), используемого в системах автоматического управления в качестве исполнительного механизма постоянной скорости, промышленностью выпускается пускатель бесконтактный реверсивный типа ПБР-3А.

4. ПУСКАТЕЛЬ ПБР-3А

Пускатель ПБР-3А обеспечивает пуск, реверс и защиту трёхфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором от перегрузки.

4.1. Технические данные

Электрическое питание пускателя – трёхфазная сеть переменного тока с номинальным напряжением 220/380 В частотой 50 Гц. Допустимое отклонение напряжения питания от номинального – от -15 до +10 %. Несимметрия трёхфазной системы – не более 5 %.

Виды входных сигналов, пределы их измерения, номера входных контактов приведены в таблице.

Входное сопротивление пускателя (750Ω±100) Ом. Максимальный коммутируемый ток – 3 А. Динамические характеристики пускателя:

1)быстродействие (время запаздывания выходного тока при подаче в снятие управляющего сигнала) – не более 25 мс;

2)разница между длительностями входного и выходного сигналов не более 20 мс;

3)мощность, потребляемая пускателем, не более 5 Вт.

8

Напряжение источника питания узлов управления 24 - 28 B (среднее значение двухполупериодного выпрямленного тока).

Источник допускает также подключение внешней нагрузки между клеммами 8 и 10. Максимальный ток, потребляемый нагрузкой, не должен быть более 100 мА.

Норма средней наработки на отказ с учётом технического обслуживания, регламентируемого настоящим описанием, 100000 ч.

Полный средний срок службы пускателя 10 лет. Масса пускателя не более 3,5 кг.

4.2. Устройство и принцип работы

Пускатель состоит из платы, кожуха и передней панели. На передней панели расположены две клеммные колодки для подключения пускателя к внешним цепям, а также винт заземления. Клеммные колодки закрываются крышками. На плате устанавливаются элементы схемы пускателя. Плата вставляется в кожух и закрепляется двумя винтами. Пускатель рассчитан на установку на вертикальной и горизонтальной плоскостях. Положение в пространстве – любое. Крепление пускателя осуществляется двумя болтами М6, которые установлены на задней стенке кожуха.