Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами


К. Н. Маренич






                АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ГОРНЫХ МАШИН С ТИРИСТОРНЫМИ КОММУТАТОРАМИ




Монография






Посвящается 100-летию со дня основания Донецкого национального технического университета











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.232.72:621.313.33
ББК 34.7:31.261.63

М25

Рекомендовано к печати учёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», протокол № 2 от 26.06.2020 г.






Рецензенты:
д-р техн. наук, проф., ведущий научный сотрудник Республиканского академического научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела (РАНИМИ) (г. Донецк) Антипов И. В.;
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой прикладной математики
  ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (г. Донецк) Павлыш В. Н.;
д-р техн. наук, проф., ректор ГООВПО «Донецкий институт железнодорожного транспорта» (г. Донецк) Чепцов М. Н.






       Маренич, К. Н.
М25       Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммута-

      торами : монография / К. Н. Маренич. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 132 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0779-3


       Рассмотрены особенности построения асинхронных электроприводов горных машин на основе применения маловентильных тиристорных коммутаторов. Приведены результаты исследования процессов в системе «тиристорный коммутатор - асинхронный двигатель» при фазовом регулировании питающего напряжения и электропитании квазисинусоидальным напряжением фиксированной пониженной частоты, а также при аварийных режимах функционирования. Особое внимание уделено вопросам влияния ЭДС вращения электрической машины на процессы в системе «тиристорный коммутатор - асинхронный двигатель». Разработаны функциональные узлы управления и защиты асинхронного маловентильного тиристорного электропривода горной машины, рассмотрены вопросы, относящиеся к обеспечению допустимого теплового состояния силовых полупроводниковых приборов при их размещении в рудничном взрывозащищенном корпусе силового коммутационного аппарата на основе применения естественного конвективного водяного охлаждения.
       Для специалистов в области регулируемого электропривода горных машин, студентов и аспирантов профильных специальностей и направлений подготовки.


УДК 622.232.72:621.313.33
                                                         ББК 34.7:31.261.63



ISBN 978-5-9729-0779-3

  © Маренич К. Н., 2022
  © Издательство «Инфра-Инженерия» , 2022
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

От автора................................................. 5

1  Особенности применения тиристорных коммутаторов в качестве регуляторов напряжения асинхронного электропривода................................................... 7
1.1  Системы импульсно-фазового управления тиристорными коммутационными схемами................................... 7
1.1.1 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами напряжения в цепи статоров асинхронных двигателей........................................ 7
1.1.2 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами роторного тока асинхронных двигателей ..................................................... 27
1.2  Вопросы устойчивости систем «регулятор - двигатель» при фазовом регулировании ............................... 35
1.3  Проверка сфазированности каналов систем импульснофазового управления и тиристорного коммутатора.........   40
1.4  Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с разомкнутыми системами управления............................................... 41
1.5  Тиристорные коммутаторы в устройствах плавного пуска асинхронных электроприводов с замкнутыми по параметру скорости системами управления............................ 48
1.6  Примеры схем типовых узлов замкнутых по скорости систем «регулятор - двигатель»........................... 55
2  Особенности применения тиристорных коммутаторов в качестве преобразователей частоты напряжения питания двигателей............................................... 59
2.1  Принцип управления тиристорным коммутатором при формировании квазисинусоидального напряжения..............    59
2.2  Процессы в системе «тиристорный коммутатор -асинхронный двигатель» при электропитании квазисинусоидальным напряжением........................... 64
2.3  Принципы построения формирователей квазисинусоидального напряжения........................... 73
2.4  Управление разгоном электропривода в системах электропитания квазисинусоидальным напряжением.........     78

3

Защита электроприводов горных машин от динамических перегрузок........................................... 83
3.1 Принципы выявления динамических перегрузок горных машин ................................................. 83
3.2 Процессы в системе «ТК-АД» при индукционнодинамическом торможении асинхронного двигателя.....   89
4  Защита электропривода от неполнофазного электропитания, дуговых и коротких замыканий.................... 98
4.1 Процессы в электроприводе при неполнофазном электропитании и принципы защиты..................... 98
4.2 Принципы выявления коротких замыканий в сети электропитания асинхронных двигателей............... 104
5  Особенности охлаждения силовых полупроводниковых приборов при размещении в оболочках рудничного электрооборудования .................................... 108

  СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................. 116


  Приложение А
  Внешний вид экспериментального образца силового тиристорного аппарата (в рудничном исполнении) управления асинхронным электроприводом шахтного конвейера..... 122
  Приложение Б
  Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства формирования системы трёхфазных квазисинусоидальных напряжений частоты fM =fc /2 по авт. свид. СССР №1467706........................ 124
  Приложение В
  Схема устройства управления пуском скребкового конвейера с кратковременной ступенью пониженной скорости методом предварительного разгона с переключением частот квазисинусоидальных напряжений в порядке: 7,14 Гц - 12,5 Гц -16,67 Гц, с последующим переключением на напряжение промышленной частоты по авт. свид. СССР №1517107... 126
  Приложение Г
  Схема и диаграмма напряжений функциональных узлов устройства выявления динамических перегрузов
  электропривода по авт. свид. СССР №1242612 ........ 127


4

    ОТ АВТОРА


     Подавляющее большинство машин и механизмов угольных шахт оснащено электроприводами на основе применения асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором. Контакторный пуск таких двигателей без применения средств регулирования скорости ограничивает функциональные возможности электропривода, обусловливает ускоренный износ его элементов вседствие высоких интенсивностей разгона и сопутствующих этому значительных динамических усилий в трансмиссии машин. Интенсивный разгон рабочего органа горной машины зачастую становится причиной травматизма обслуживающего персонала. Поэтому задача применения регулируемых по скорости электроприводов горнах машин относится к актуальным.
     Наиболее эффективным средством такого регулирования является полупроводниковый преобразователь частоты. Однако высокая сложность, стоимость являються проблемными факторами, крупные габариты затрудняют его выполнение в рудничной взрывобезопасной оболочке, а большое количество силовых полупроводниковых приборов существенно усложняет решение вопросов их эффективного охлаждения в условиях шахты.
     Функциональные возхможности маловентильных силовых тиристорных коммутаторов (ТК) позволяют рационально решить вопросы управления пуском и торможением асинхронного электропривода горной машины. Простота их силовой схемы и системы управления обеспечивают высокую надёжность электропривода, упрощают проблему обеспечения допустимого теплового режима ТК при его размещении в рудничном взрывобезопасном корпусе.
     Привод горной машины, оснащённый тиристорным апаратом на основе тиристорного коммутатора, обладает преимуществами как технического, так и социального характера. Применение тиристорного аппарата повышает эффективность защиты горной машины от перегрузок, вызванных стопорением рабочего органа, сокращает время вынужденных простоев очистного забойного комплекса в целом. Снижение динамических усилий в электроприводе в процессе программного плавного пуска двигателя, наличие быстродействующих защит от аварийных режимов повышают ресурс горной машины.
     Социальный эффект от применения тиристорных аппаратов управления пуском (торможением) электропривода горных машин

5

заключается в повышении безопасности их эксплуатации. Это связано с возможностью выполнения ряда технологических операций на пониженнях скоростях электропривода.
     Тиристорный аппарат, будучи электротехническим изделием статического принципа действия, сам обладает повышенной надёжностью, поскольку осуществляет бесконтактную, т.е., бездуговую коммутацию силовых электрических цепей. Это преимущество особенно важно применительно к условиям шахты, где высока вероятность образования взрывоопасной концентрации метана в атмосфере.
     В монографии излагаются результаты многолетних исследований, выполненных автором в ходе разработок маловентильных тиристорных устройств для управления скоростными режимами и защиты электроприводов горных машин (Приложение А). Выявленные процессы в системе «тиристорный коммутатор - асинхронный двигатель», обусловленные действием обратных ЭДС электрических машин позволили не только комплексно раскрыть особенности и потенциальные возможности применения тиристорних коммутаторов в структурах асинхронних электроприводов, но и рассматривать асинхронный двигатель как активную электрогенерирующую установку, в т.ч., и в контексте воздействия на силовой полупроводниковый преобразователь, а также на параметры электробезопасности промышленной электросети на интервале выбега электродвигателей потребителей, что нашло своё воплощение в профильных учебных курсах высших технических учебных заведений [1, 2].
     Основной массив изложенных научных и практических результатов в своём приоритете принадлежит автору данной монографии, которая является вторым изданием книги «Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами» (Донецк: 1997 г.) [3], переработанной и дополненной актуальной технической информацией на основе изобретений автора, защищённых авторскими свидетельствами СССР.
     Выражаю признательность кандидату технических наук, доценту Сидоренко Ивану Тимофеевичу за его инициативы в области исследования и разработки силовых полупроводниковых устройств для управления асинхронными электроприводами горных машин, инженерам Дзюбану Сергею Витальевичу и Шевчику Валерию Богдановичу за помощь в организации и проведении промышленных испытаний экспериментальных устройств тиристорных электроприводов.
Автор, К. Н. Маренич

6

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТИРИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ РЕГУЛЯТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА



    1.1 Системы импульсно-фазового управления тиристорными коммутационными схемами

1.1.1 Схемы СИФУ, адаптированные для управления тиристорными регуляторами напряжения в цепи статоров асинхронных двигателей

     Тиристорная преобразовательная техника занимает одну из лидирующих позиций в системах регулирования параметров электроприводов. Применительно к асинхронным двигателям (АД) тиристорные коммутаторы (ТК), содержащие три пары встречнопараллельно соединённых тиристоров (по одной - в каждой фазе сети), работающие в режиме импульсно-фазового управления, выполняют функцию регулирования величины действующего напряжения, подаваемого на статор двигателя:


U =

1 tk
------[ u ² dt
Л T •> tH

(1.1)

     Эта функция достигается посредством фазовых задержек а (эл. град.) включения тиристоров (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Схема (а) и диаграмма напряжений (б) однофазного тиристорного регулятора напряжения

7

     В общем случае тиристорный регулятор напряжения выполняет коммутационную функцию и в трёхфазной сети переменного тока представлен схемой тиристорного коммутатора (ТК), состоящей из трёх пар включенных встречно-параллельно (по одной в каждой фазе) тиристоров (рис. 1.2). Особенностью работы ТК с АД является зависимость интервала проводимости тиристора не только от угла а

Рисунок 1.2 - Типовая схема подключения ТК к сети и цепи статора асинхронного двигателя

отпирания, но и от состояния тиристоров смежных фаз, которые, в

свою очередь, определяются их углами а отпирания, уровнем анодных напряжений и ЭДС вращения АД, углами у отставания фазных токов ротора. Регулировочные характеристики трёхфазного ТК (рис.1.2) при работе в системе ТК-АД и различных углах а представлены на рисунке 1.3 и свидетельствуют о широких возможностях ТК по регулированию величины напряжения, питающего АД [4].

Рисунок 1.3 - Регулировочные характеристики ТРН по схеме: «6 тиристоров» (1); «3 тиристора, 3 диода» (2); у - фазовый угол нагрузки

8

     Регулированием напряжения, подаваемого на статор АД, достигается изменение критического момента последнего при постоянстве критического скольжения:

MK(a)=MKH(U(a)/UH)²,

где Мкн - критический момент АД при номинальном UH напряжении питания; Мк(а) - критический момент АД при пониженном в функции а напряжении питания U(a).
      Регулирование частоты вращения АД происходит за счёт уменьшения модуля жёсткости механических характеристик. При условии работы АД на устойчивой части механической характеристики диапазон изменения частоты вращения ротора АД ограничен нижним уровнем, соответствующим критическому скольжению sK.
     Таким образом, непосредственно управляющую функцию в отношении ТК выполняют системы импульсно-фазового управления путём формирования углов а отпирания тиристоров (в функции опорного напряжения, поступающего от устройства управления приводом). По способу отсчёта величины угла а отпирания СИФУ делятся на многоканальные и одноканальные. В многоканальных СИФУ отсчёт углов а отпирания для каждого тиристора производится в соответствующих каналах. Это объясняется тем, что каждый тиристор регулятора напряжения (ТК) коммутирует полуволну напряжения соответствующей фазы и полярности. Поэтому импульсы управления, поступающие на тиристоры ТК, должны быть синхронизированы с соответствующими фазными напряжениями сети.
      Это поясняется диаграммой напряжений канала СИФУ (рис. 1.4). На его вход поступает напряжение Uc, синхронизированное устройством синхронизации (УС) с сетевым напряжением. Посредством компаратора К1 (рис. 1.5) оно сравнивается с нулевым уровнем. В результате, формируются импульсы UK₁, синхронизированные с соответствующими полуволнами напряжения Uc, которые подаются на вход формирователя пилообразного напряжения (ФПН) G1. С его выхода пилообразные импульсы UG₁, синхронизированные с соответствующими полуволнами напряжения Uc (импульсами UK₁), сравниваются компаратором К2 с опорным напряжением Uₒₙ. При условии UG₁ < Uₒ„, компаратора К2 формирует импульсы UK₂. Таким образом, изменяя величину напряжения Uₒₙ можно перемещать во времени передний фронт импульсов UK₂. Эти импульсы могут быть использова


9

ны в качестве управляющих для соответствующих тиристоров регулятора напряжения (тиристорного коммутатора).


Рисунок 1.4 - Диаграммы напряжений канала СИФУ

к сети

Рисунок 1.5 - Функциональная схема канала СИФУ

ю

    В схеме канала СИФУ на выходе компаратора К₂ предусмотрен усилительно-развязывающий блок (УРБ). В качестве синхронизирующих для СИФУ наиболее широкое распространение нашли трёхфазные трансформаторы напряжения. В таком трансформаторе выходные напряжения (в фазах) смещены одно относительно другого на 120 эл. град. Поэтому для формирования импульсов, синхронизированных с положительными и отрицательными полуволнами каждого фазного напряжения входы компараторов смежных каналов (одной фазы) подключают к выходной фазной обмотке трансформатора в соответствии со схемой (рис. 1.6).
    Напряжение пилообразной формы может быть сформировано разными способами:
- формирование путём перезаряда ёмкости переменным током прямоугольной формы;
- формирование путём заряда ёмкости через резистор от источника постоянного напряжения и дальнейшего ускоренного её разряда.


б

Рисунок 1.6 - Схема подключения трёхфазного синхронизирующего трансформатора к СИФУ (а) и векторная диаграмма его выходных напряжений (б)

    Последний способ, в частности, реализуется схемой, содержащей RC-цепь и ключ на составном транзисторе VT1, VT2 (рис. 1.7). При поступлении входного импульса Uₑₓ транзистор VT2 запирается, и на конденсаторе C1 формируется возрастающее напряжение Uₑbₗₓ. При исчезновении импульса Uₑₓ, транзистор VT2 отпирается, что ведёт к ускоренному разряду конденсатора C1 (через этот транзистор). В ка-


11

честве ФПН может быть также использован интегратор - операционный усилитель, охваченный ёмкостной обратной связью.

Рисунок 1.7 - Схема (а) и диаграммы напряжений (б) формирователя пилообразного напряжения на составном транзисторе и RC-цепи

     Усилительно-развязывающий блок (УРБ) предназначен для усиления по мощности импульсов управления, подающихся на тиристоры ТК и гальванической развязки (по напряжению) силовых цепей (с тиристорами) и цепей управления (СИФУ).
     На рис. 1.8, а приведена схема УРБ на основе применения генератора отпирающих импульсов (ГОИ), который формирует последовательность импульсов высокой частоты иГОи. Во время существования выходных импульсов СИФУ UK₂ соответствующие ключевые транзисторы отпираются, и «пакеты» выходных импульсов ивых ГОИ проходят по первичным обмоткам трансформаторов TV1, формируя пакеты импульсов, отпирающих тиристоры ТК (рис. 1.8, б).
    При управлении преобразовательными устройствами, содержащими несколько тиристоров (например, тиристорным выпрямителем, либо тиристорным регулятором напряжения переменного тока) количество каналов СИФУ (рис. 1.5) должно соответствовать количеству тиристоров. При этом все каналы управляються одним опорным напряжением. Кроме этого, каналы могут иметь общие блоки, например, узел синхронизации, генератор отпирающих импульсов.

12