В.А. Старовойтов Бесконтактное управление асинхронным электродвигателем

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).

Рис. 1. Структура триодного тири-	Рис. 2. Вольт-амперные характе-
стора:	ристики триодного тиристора
1, 2, 3 – выводы катода, управ-
ляющего электрода и анода соот-
ветственно

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

Номера		Пределы измерения		Потребляемый
входных	Входной сигнал	среднего значения на-		или коммутиру-
контактов		пряжения на вход		емый ток вход-
		Включение	Отключение	ной цепи
7-8	Среднее значе-
8-9	ние двухполупе-
	риодного вы-	(24±6) B	0-8B
	прямленного си-
	нусоидального			Не более 50 мА
	напряжения
7-10	Состояние кон-		(24±4) B
9-10	тактных или бес-	0-8B	(амплитуд-
	контактных клю-		ное напря-
	чей		жение 50 B)

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.

9

Принцип работы.

Схема пускателя приведена на рис. 5.

Входным сигналом пускателей является напряжение отрицательной полярности, подаваемое относительно контакта 8 на вход «М» (контакт 7) или вход «Б» (контакт 9).

Обозначения «М» (меньше) и «Б» (больше) приняты условно. Для осуществления управления пускателем с помощью ключей в

пускателе имеется источник напряжения, положительный потенциал которого выведен на клемму 8, отрицательный – на клемму 10.

С помощью ключей контакт 10 подключается ко входу «М» или

«Б».

Висходном состоянии (входные сигналы отсутствуют) напряжение на эмиттере транзистора V17 меньше напряжения включения за счёт малой величины сопротивления резисторов R7, R20, уменьшающих напряжение на эмиттере через положительный вывод выпрямительного моста V12.

Всвязи с этим транзисторы V13 и V14 закрыты, управляющих импульсов на трансформаторах Т2 и Т3 нет. Симисторы V4 – V7 закрыты. Напряжение на входе отсутствует.

При подаче управляющего напряжения на клеммы 8 – 7 (8 – 9) происходит заряд конденсаторов С1 (С2) и С3, выполняющих функции фильтров и элементов схемы задержки на реверсе. Протекание тока через резисторы R7, R20, отрицательный вывод выпрямительного моста V12 и диод V10 (V11) приводит к увеличению падения напряжения на резисторах R7 и R20 и открытию диода отрицательного вывода выпрямительного моста V12. В результате этого на базе транзистора V12 (V14) напряжение уменьшается, происходит заряд конденсаторов С3 и С7 и увеличение напряжения на базе транзистора V14 (V13) и эмиттере транзистора V17 относительно базы 1 транзистора V17. При достижении напряжением на эмиттере транзистора V17 напряжения включения транзистор открывается и конденсатор С7 разряжается по цепи: резистор R10, переход база-эмиттер транзистора V14 (V13), диод V16 (V15), переход эмиттер-база транзистора V17 и отрицательный вывод выпрямительного моста V12.