Министерство образования Республики Беларусь
БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ университет 
Кафедра “Электропривод и АПУ”
Дисциплина
"Электрические и электронные аппараты"
Методические указания
к лабораторной работе №11
Тиристорный пускатель для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором
г. Могилёв, 2009 г.
УДК 681.3 Составитель: к.т.н., доцент Коваль А.С.
Тиристорный пускатель для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. Методические указания к лабораторной работе №11 по дисциплине "Электрические и электронные аппараты". Для студентов дневной формы обучения специальностей 1-530105 «Автоматизированные электроприводы», 140607 «Электрооборудование автомобилей и тракторов».
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры "Электропривод и АПУ" от ___________________. протокол №_____.
© А.С. Коваль 2009.
^
1 Цель работы
Изучение принципов управления и элементов схемотехнических решений, используемых в нерегулируемых тиристорных пускателях переменного тока для управления асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором.
2 Общие сведения
Тиристорные пускатели являются аналогами магнитных пускателей и предназначены для неуправляемого включения и отключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, а также для реализации их защиты от перегрузки и от потери фазы.
По сравнению с контактными пускателями тиристорные пускатели обладают следующими достоинствами:
а) Отсутствие электрической дуги при коммутациях;
б) Увеличенное число включений (до 2000 включений в час);
в) Высокая электрическая износостойкость (до 15 106 циклов).
К недостаткам тиристорных пускателей относят:
- Сложность схемы;
- Большие габариты по сравнению с магнитными пускателями;
- Более высокую стоимость.
2.1 Силовые схемы тиристорных пускателей
Основные силовые схемы тиристорных пускателей приведены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Силовые схемы тиристорных пускателей
Эти схемы являются аналогами силовой схемы подключения асинхронного двигателя (АД) с помощью магнитного пускателя. Встречно-параллельно включенные тиристоры (тиристор-диод) в каждой фазе являются аналогом силового контакта на замыкание и обеспечивают прохождения тока по нагрузке в течение всего периода питающего напряжения.
2.2 Формирование сигналов управления тиристорами
В силовых схемах (рисунок 1) используется "естественная" коммутация тиристоров. Для отпирания тиристора необходимо подать сигнал управления на его управляющий электрод при рабочей полярности питающего напряжения на тиристоре: «+» на аноде и «-» - на катоде тиристора. Причем, сигнал управления должен иметь длительность достаточную для того, чтобы прямой ток через тиристор достиг тока удержания тиристора по его вольт- амперной характеристике, примерный вид которой представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Вольт- амперная характеристика тиристора
Запирание тиристора обеспечивается уменьшением изменяющегося синусоидально прямого тока через тиристор практически до 0 к концу рабочего полупериода питающего напряжения. При этом ток тиристора автоматически становится меньше Iудерж и тиристор запирается ("естественная" коммутация тиристоров). Интервал времени между снятием напряжения управления и моментом запирания тиристоров определяет время выключения тиристорного пускателя. Это время может достигать 1/2 периода питающего напряжения, т.е. 0,01с при fсети=50Гц.
Устойчивое включенное состояние тиристорных пускателей переменного тока обеспечивается за счет периодического поступления на управляющие электроды тиристоров управляющих импульсов. При встречно-параллельном соединении силовых тиристоров в силовой схеме, общее число формируемых системой управления управляющих импульсов должно быть равно числу тиристоров, т.е. N. Причем N/2 из этих управляющих импульсов вырабатываются со сдвигом на угол π по отношению к другим. В тиристорных пускателях - аналогах магнитного пускателя, где тиристоры выполняют только функцию коммутирования цепей без регулирования мощности потребляемой нагрузкой, начало импульсов управления должны быть синхронизировано с моментами перехода тока нагрузки через нулевые значения, что достигается синхронизацией момента формирования управляющих импульсов с моментами перехода через нулевые значения фазных напряжений (рисунок 3). Для подачи этих импульсов непосредственно на управляющие электроды тиристоров используют импульсные трансформаторы (рисунок 4, а).
Возможен и более простой способ формирования сигналов управления на тиристоры (рисунок 4, б).
Здесь на управляющих электродах тиристоров постоянно присутствует модулированное высокочастотное напряжение. Соответствующий тиристор будет открываться, когда к нему будет прикладываться рабочее питающее напряжение, т.е. он будет открываться с началом соответствующего рабочего полупериода.
Напряжение управления с соответствующей частотой (до 5кГц) формируется генератором напряжения управления и опять же через трансформатор подается на управляющие электроды тиристоров (рисунок 4, а)
Напряжение управления может формироваться и из анодных напряжений соответствующих тиристоров.
Рассмотрим в качестве примера однофазную схему, которая представлена на рисунке 5.
Здесь VS1 и VS2 - рабочие тиристоры. Диоды VD1 и VD2, резистор R1 и контакт реле К1 образуют систему управления. Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 6.
В момент t0, когда потенциал точки “a” становится выше потенциала точки “b”, открывается диод VD1 и замыкается цепь управления тиристорами VS1, содержащая еще кроме диода и резистор. Ток в этой цепи в момент времени t1 отпирает тиристор VS1. Включенный тиристор шунтирует цепь управления, так как его сопротивление значительно ниже сопротивления резистора R1.
В результате ток в цепи управления после включения тиристора практически прекращается. Аналогично в момент времени t2, когда потенциал точки “b” становится выше потенциала точки “a”, открывается диод VD2 и замыкается цепь управления тиристора VS2.
Таким образом, токи управления тиристоров iy1 и iy2 имеют форму импульсов, которые подаются синхронно с анодным напряжением.
Для прекращения работы схемы прерывается подача импульсов управления (контакт К1 размыкается) и тиристоры закрываются ("естественная" коммутация).
Эта схема используется и для трехфазного тиристорного пускателя (коммутационные элементы схемы управления используются в каждой фазе по аналогии).
Достоинство рассмотренной схемы управления – простота. Однако существует недостаток: ток управления нарастает по гармоническому закону с частотой напряжения сети. Поэтому крутизна переднего фронта импульса управления невысока, что приводит к увеличению времени включения тиристоров, а значит, возрастают в нем потери.
Рисунок 3
а)
б)
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
3 Описание принципа работы тиристорного пускателя для управления работой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
На рисунке 7 представлен один из вариантов схемы бесконтактного тиристорного пускателя [1]. Силовой блок Б1 содержит силовые тиристоры VS1-VS3 и диоды VD1-VD3, рассчитанные на номинальный и пусковой токи двигателя М1. При подаче сигнала управления на электроды 1-2, 3-4, 5-6 тиристоры открываются, и двигатель подключается к сети. В отрицательный полупериод, когда тиристоры закрываются отрицательным анодным напряжением, ток двигателя проходит по диодам VD1-VD3. Диоды могут быть заменены тиристорами. При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, нажатии кнопки SB2 "Стоп") тиристоры закрываются. Следующий полупериод ток пропускается диодами. После этого диоды VD1, VD2, VD3 закрываются и двигатель отключается от сети. По тиристорам и диодам протекает лишь небольшой ток утечки.
Сигналы управления тиристорами формируются в блокинг-генераторе Б2, который получает напряжение от блока питания Б3. При нажатии кнопки SB1 "Пуск" включается тиристор VS5 и все напряжение прикладывается к резистору R3, При этом транзистор VT3 закрыт, так как напряжение на резисторе R3 больше, чем на резисторе R4. По мере заряда конденсатора С2 наступают условия для открытия транзистора VT3 и конденсатор С2 начинает разряжаться на обмотку ω1 трансформатора ТV2. Электродвижущая сила, наводящаяся при этом на обмотке, ωo,c способствует быстрому и полному открытию транзистора VT3. При разряде конденсатора напряжение на резисторе R3 возрастает, транзистор VT3 закрывается и снова начинается заряд конденсатора С2. Таким образом, генерируются импульсы тока в обмотке ω1 и в трех выходных обмотках ω2 появляются управляющие импульсы. Диоды VD5-VD7 пропускают импульсы только положительной полярности. Длительность импульса 30мкс при паузе между импульсами 300мкс (частота около 3кГц).
Аналогичные схемы могут управляться сигналами постоянного тока или переменным током низкой частоты. Использованием блокинг-генератора дает возможность быстро включать тиристор и уменьшить нагрузку по его управляющему электроду.
При нормальном режиме транзистор VT2 блока Б2 насыщен и лампа HL2 не горит. Если на контакты 7, 8 блока Б2 подано напряжение с одноименных контактов блока защиты Б4, тиристор VS4 открывается и блокинг-генератор лишается питания. Блок питания Б3 включается только на резистор R8. При потере питания генерация в блоке Б2 прекращается и тиристор VS5 отключается. Одновременно транзистор VT2 закрывается и загорается лампа HL2, сигнализируя об отключении пускателя от защиты. В случае потери фазы в выходном напряжении (после диодов VD8-VD10) появляется пауза. В эту паузу блок Б2 останавливается и тиристор VS5 отключается, что ведет к закрытию силовых тиристоров.
Блок Б4 защиты двигателя и силовых тиристоров от перегрузки питается от трансформаторов тока ТА1-ТА3. Напряжение с нагрузочных резисторов выпрямляется и подается на потенциометр RP1. Параметры трансформаторов ТА1-ТА3 и резисторов R1, R5-R7 выбираются так, что при номинальном токе во всех трех фазах напряжение, снимаемое с потенциометра RP1, меньше напряжения пробоя стабилитрона VD11. До тех пор пока напряжение на стабилитроне меньше напряжения пробоя (Uпроб.), сопротивление стабилитрона очень высоко. При этом ток базы транзистора VT1 недостаточен для его открытия. Если ток хотя бы в одной фазе превысит номинальное значение, то возникает неравенство U>Unpоб., сопротивление стабилитрона снова возрастет, транзистор VT1 откроется. После открытия транзистора VT1 начинается заряд конденсатора С1. Напряжение с конденсатора С1 на выходы 7, 8 не подается до тех пор, пока не превысит напряжение переключения динистора VD4. Динистор имеет такую же вольт- амперную характеристику, как и тиристор при Iу=0. Если перегрузка была настолько кратковременной, что конденсатор С2 не успел зарядиться, то напряжение на выходах 7 и 8 не появится и пускатель останется в работе. Если Uc1 станет больше напряжения переключения динистора VD4, произойдет разряд конденсатора С1 на цепь управления тиристора VS4 блока Б2 и последний откроется. При этом прекратится генерация импульсов, открывающих VS1-VS3, и двигатель остановится. Параметр срабатывания блока защиты регулируется потенциометром RP1. За счет усложнения блока защиты можно создать выдержку времени в зависимости от условия перегрузки. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов короткого замыкания в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями FU1- FU3 типа ПНБ-5.
Рисунок 7 – Схема электрическая принципиальная тиристорного пускателя
4 Контрольные вопросы
Назначение тиристорного пускателя.
2. Достоинства и недостатки тиристорных пускателей.
3. Объяснить понятие «естественная» коммутация тиристоров.
4. Нарисовать схему реверсивного тиристорного пускателя.
5. Пояснить принцип формирования сигнала управления для тиристора с использованием анодного напряжения тиристоров.
6. Объяснить понятие термина «синхронизация работы схемы управления тиристорами с питающей сетью».
Список литературы
1. Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 620 с.
2. Электрические и электронные аппараты: Учебник для вузов / Под ред. Ю.К. Розанова. – М.: Энергоатомиздат, 1998 – 745 с. |
