Тиристорные контакторы для пуска АД с короткозамкнутым ротором (главные электрические схемы).

Включение силовых тиристорных элементов (СТЭ) в цепи статора АД позволяет осуществить его бесконтактный пуск и остановку. На рис.1 представлены электрические схемы главных цепей тиристорных (симисторных) контакторов.

а) б) в)

г) д) е)

Рис.1. Электрические схемы главных цепей тиристорных контакторов.

Среднее значение тока, протекающего через тиристор в схеме а), I_ср = , I_ср = 0,45 I, где I – действующее значение тока статора. Номинальное напряжение тиристоров выбирают по максимально возможным величинам обратного и прямого запирающего напряжений

U_л £ U_{обр. max} = U_пр.max £ U_л , (1)

где U_л - действующее значение линейного напряжения.

В схеме б) I_ср = 0,9 I, а номинальное напряжение симисторов выбирают как для схемы а).

Коммутация каждой фазы в схеме в) осуществляется с помощью тиристорно-диодных элементов. Здесь тиристоры выбираются исходя из следующих соотношений

I_ср = 0,45 I, U_пр.max = U_л (2)

Обратное напряжение на тиристоре, соответствующее прямому падению напряжения на диоде, практически равно нулю. Это увеличивает надежность работы контактора.

В схеме г) нагрузка тиристоров определяется соотношением

I_ср = I » 0, 26, (3)

а прямое и обратное напряжения на тиристорах равны

U_пр.max = U_{обр. max} = U_л (4)

Схема д), в которой в рассечку звезды статора включен треугольный Тиристорный элемент, отличается от предыдущих минимальным количеством тиристоров. Среднее значение тока, протекающего через тиристор I_ср = 0,675 I. Максимальное значение прямого и обратного напряжений U_пр.max = U_{обр. max} = U_л.

В рассмотренных схемах запирание тиристоров после снятия управляющего сигнала происходит при прохождении анодного тока в каждой фазе через нуль, то есть фазы отключаются не одновременно. Наибольшая возможная задержка от момента снятия управляющих сигналов составляет половину периода. В схеме е) одновременная коммутация всех трех фаз осуществляется с помощью одного тиристора, включенного на выход управляющего устройства. Открытие тиристора осуществляется управляющими импульсами, а для его запирания необходимо предусмотреть конденсатор и вспомогательный тиристор, которые на схеме не показаны. Данная схема применяется там, где необходима высокая точность отработки командных сигналов.

Реверс АД в схемах а) и б) осуществляется переключением двух фаз. Это требует добавления в схемах по два тиристорных (симисторных) элемента.

В асинхронном двигателе в зависимости от режима работы и скорости вращения фазовый угол j может изменяться от минимального значения j_min , обычно близкого к j_н , до максимального значения, которое может быть или при пуске АД j_п, или при его холостом ходе j₀.

С ростом нагрузки от холостого хода до номинального значения изменение фазового угла Dj = j_max - j_min в двигателях большой мощности достигает 50 – 60 электрических градусов. В двигателях малой мощности, в крановых и других двигателях специального исполнения с небольшим cos j_н величина Dj меньше. Поэтому схема управления нерегулируемого тиристорного контактора для идеального прямого пуска АД (при полном напряжении сети) должна вырабатывать достаточно широкие управляющие импульсы Dj_и>Dj. Эти же требования распространяются и на случай применения в качестве управляющих пакета импульсов или сдвоенных импульсов с общей шириной Dj_и.

2. Сравнительная характеристика тиристорных и электромагнитных контакторов.

Тиристорные контакторы типа (ТК) применяются для дистанционного пуска электродвигателей переменного тока и в отличии от обычных снабжаются встроенным блоком защиты электродвигателя (БЗЭ), имеющим 6 степеней защиты как минимум:

- обрыв фазы 3-х фазной сети переменного тока 220/380 В;

- перегрев электродвигателя;

- длительные технологические перегрузки;

- заклинивание ротора электродвигателя;

- недопустимая несимметрия напряжений фаз сети;

- неправильные процессы пуска и торможения.

В отличии от обычных контакторов типа RT и КТЭ, ТК представляет из себя «Тиристорный ключ», что позволяет добиться следующих преимуществ:

· при включении и отключении не возникает электрической дуги (основной недостаток обычных контакторов), в следствии того, что ТК является электронной схемой, основным элементом которой является тиристор;

· нет подвижных частей и, как следствие, срок службы увеличивается в несколько раз;

· уровень шума при работе ТК практически равен нулю, в отличии от обычных контакторов, в силу конструктивных особенностей последних;

· работа, как в длительном, так и повторно – кратковременных режимах с практически неограниченной частотой включений и отключений;

· простота в обслуживании: любой элемент ТК можно заменить на месте (не снимая ТК) практически за несколько минут;

· при необходимости не сложно переделать ТК на ток другого номинала - достаточно заменить тиристоры.

Тиристорные контакторы изготовляются на токи от 63А до 1000А в цепях с напряжением до 1000 В переменного тока.

Тиристорные контакторы выпускаются трех основных типоразмеров:

1. I = 100 – 200 А; 2. I = 250 – 320 А; 3. I = 320 – 1000 А (таблеточного типа).

ТК экономически выгоден. Для справки: потребление катушки электромагнитного контактора КТВ – 600 составляет 6А, а тиристорного контактора типа ТК – 630 – 0, 04 А. При работе тиристорного контактора в течении года экономия электроэнергии составит в среднем около 12000 кВт.ч. на одном контакторе. Благодаря своим преимуществам срок окупаемости тиристорного контактора в среднем составляет 1 год.

3. Принципиальная электрическая схема тиристорного контактора ТС.

Силовая часть принципиальной электрической схемы тиристорного контактора ТК представлена на рис.2.

Рис.2. Электрическая схема принципиальная тиристорного контактора ТК.

Основой тиристорного контактора являются три однофазных ключа. Силовыми коммутирующими элементами являются тиристоры VS1 … VS6, которые открываются соответствующими положительными полуволнами напряжения на их анодах при замыкании контактов пускового реле KV (KV1.1, KV1.2, KV1.3). Пока указанные контакты будут замкнуты, тиристоры будут автоматически поочередно включаться, обеспечивая прохождение тока от источника к нагрузке. При пуске АД напряжение на втягивающую катушку реле KV подается нажатием кнопки «Пуск». Остановка двигателя осуществляется нажатием кнопки «Стоп». При этом обесточивается втягивающая катушка реле KV, последняя отпускает и размыкает свои контакты в цепи управляющих электродов VS1 … VS6, тиристоры закрываются обратными напряжениями питающей сети и отключают обмотку статора АД.

Защита электродвигателя обеспечивается при совместной работе блока защиты ЭД (БЗЭ) с пусковым реле KV и датчиком температуры (VD13), которые на рис. 2 не показаны.

Электрическая схема БЗЭ позволяет плавно устанавливать порог срабатывания при перегрузке АД. Для согласования БЗЭ с конкретным электродвигателем в блоке предусмотрен регулировочный потенциометр (R_п ). Установка порогов срабатывания при различных ступенях перегрузки производится вращением потенциометра против часовой стрелки. При необходимости можно отключить защиту по перегрузке, установив R_п в крайнее левое положение.

При срабатывании БЗЭ повторное включение двигателя производится после отключения защиты, нажатием кнопки «Сброс» расположенной на корпусе БЗЭ.

4. Тиристорные пускатели для прямого пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Принято было считать, что электромагнитные контакторы - это коммутационные аппараты, в которых не предусмотрены функции защиты электродвигателей от перегрузки. А вот пускатели, состоящие, как правило, из контакторов и средств защиты, такие функции имеют. Деление же на тиристорные контакторы и пускатели, предназначенные для прямого пуска АД, является, в некотором смысле, условным. Так, например, выше был рассмотрен Тиристорный контактор типа ТК, в котором предусмотрен блок защиты электродвигателя БЗЭ.

Существует много разновидностей тиристорных пускателей АД, имеющих как аналоговые, так и цифровые схемы управления.

Рассмотрим Тиристорный пускатель с аналоговой схемой управления. Электрическая схема тиристорного пускателя представлена на рис.3.

Тиристорный пускатель состоит из следующих основных блоков:

- блок Б₁ – силовой блок;

- блок Б₂ – блокинг –генератор, предназначенный для выработки сигналов управления силовыми трансформаторами;

- блок Б₃ – блок питания блокинг – генератора;

- блок Б₄ – блок защиты двигателя и силовых тиристоров от перегрузки.

Силовой блок Б₁ содержит силовые тиристоры VS1, VS2, VS3 и диоды VД₁, VД₂, VД₃, рассчитанные на пусковые и номинальные токи двигателя.

При подаче сигнала управления на электроды 1-2, 3-4, 5-6 тиристоры открываются и двигатель подключается к сети. В отрицательные периоды ток проходит через диоды VД₁ – VД₃. При снятии сигналов управления тиристоры закрываются, последующие периоды пропускаются диодами VД₁ – VД₃, после чего они тоже закрываются. Двигатель отключается от сети.

Рис.3. Электрическая схема принципиальная тиристорного пускателя.

Сигналы управления формируются блокинг – генератором Б₂, который получает питание от блока питания Б₃. При нажатии кнопки «Пуск» включается тиристор VS₅ и все напряжение прикладывается к резистору R_3. При этом транзистор VT₃ закрыт, так как напряжение на резисторе R₃ больше чем на резисторе R₄, конденсатор С₂ закрывается. По мере его заряда напряжение на резисторе R₃ падает и транзистор VT₃ открывается. Его быстрому открытию способствует Э.Д.С., возникающая в обмотке обратной отрицательной связи трансформатора Т₂ (W_ос). Конденсатор С₂ разряжается через открытый транзистор VT₃ и первичную обмотку трансформатора Т₂ (W₁). После разрядки конденсатора С₂ транзистор VT₃ закрывается, напряжение на резисторе R₃ возрастает и снова начинается заряд конденсатора С₂. Таким образом, генерируются импульсы в обмотке W₁ и вторичных обмотках трансформатора W₂ , последние являются управляющими для силовых тиристоров. Диоды VД₅ – VД₇ пропускают на управление тиристоров только сигналы положительной полярности.

При открытии тиристора VS₅ получает питание лампа Л₁, которая сигнализирует о пуске двигателя. При нормальном режиме работы транзистор VT₂ открыт и лампа Л₂ не получает питания (лампа сигнализации остановки двигателя). Если на контакты 7,8 блока Б₂ подать питание с контактов 7,8 блока защиты Б₄, то тиристор VS₄ открывается и блокинг – генератор теряет питание. При потере питания блокинг – генератор прекращает генерацию сигналов и тиристоры VS₁ и VS₃ закрываются, двигатель останавливается. Одновременно закрывается транзистор VT₂ и загорается лампа Л₂, сигнализация об остановке двигателя.

Питание блокинг – генератора осуществляется от блока питания Б₃. В случае потери одной фазы в выходном напряжении (после диодов VД₈ – VД₁₀) появляется пауза и тиристор VS₅ в этом случае закрывается, что приводит к остановке двигателя.

Блок защиты Б₄ получает питание от трансформатора тока ТА₁ – ТА₃. Выпрямленное напряжение подается на потенциометр R₁. Параметры трансформаторов ТА₁ – ТА₃ и резисторов R₁, R₅ – R₇ выбираются таким образом, что при I_н во всех трех фазах напряжение, снимаемое с потенциометра R₁ меньше напряжения пробоя стабилитрона VД₁₁ и транзистор VT₁ закрыт.

Если хотя бы в одной фазе двигателя ток превышает номинальное значение, напряжение на стабилитроне становится больше напряжения пробоя, транзистор VT₁ открывается. После открытия транзистора VT₁ начинается заряд конденсатора С₁. как только напряжение на конденсаторе С₁ станет больше напряжения переключения динистора VД₄, он откроется и на выходе блока защиты появится напряжение (U_8-7 ), что приведет к открытию тиристора VS₄ и остановке двигателя. Если перегрузка двигателя была кратковременной и конденсатор С₁ не успел зарядиться, то напряжение на клеммах 7-8 (U_8-7) не появляется и двигатель остается в работе. Защита АД и силовых тиристоров осуществляется предохранителями FV₁ – FV₃.

Фото 2. Тиристорный пускатель ПТ. Фото 3. Тиристорный пускатель ПТ.

Ниже приводятся основные характеристики широко используемых тиристорных пускателей серии ПТ.

а) Назначение, достоинства, особенности конструкции и области применения.

Тиристорные пускатели предназначены для бесконтактной коммутации и защиты в аварийных режимах работы трехфазных двигателей и другой активно – индуктивной нагрузки, обеспечивают функции пускателей и автоматических выключателей.

Тиристорные пускатели свободны от таких недостатков магнитных пускателей, как подгорание контактов, неодновременность подключения фаз, значительная мощность потребления цепей управления, залипание магнитной системы, в следствии ее намагничивания от источников сильных магнитных полей постоянного тока, что особенно важно в металлургических и электролизных производствах, ограниченная частота включений, наличие механически подвижных частей, недостаточное быстродействие отключения при срабатывании защиты.

Конструкция тиристорных пускателей позволяет производить замену электромагнитных пускателей с минимальными издержками. После монтажа практически не требуется проведения предпусковой наладки. Пускатели типа ПТ-16-380-У5, ПТ-40-380-У5 применяются для дистанционного включения и отключения, а реверсивные пускатели типа ПТ-16-380Р-У5, ПТ-40-380Р-У5 для дистанционного включения, реверса и отключения трехфазных электродвигателей. Нереверсивные пускатели могут использоваться для включения и отключения других видов трехфазных активных нагрузок.

Пускатели находят применение на подвижных объектах и в стационарных условиях, на шахтах, в нефтяной, газовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности при условии установки их в защитные оболочки, соответствующие условиям эксплуатации, и при наличии в схеме электроснабжения индивидуального или группового аппарата с видимым разрывом цепи.

б) Режимы работы и технические характеристики.

Пускатели могут работать в следующих режимах:

1. продолжительном, с числом включений в час не более 10;
2. повторно – кратковременном с продолжительностью включения не более 60% (ПВ=60%), при частоте до 600 включений в час с номинальными токами нагрузки.

Технические характеристики.

Выводы

1. Ширина импульса управления тиристорным контактором для прямого пуска АД должна быть больше фазового угла Dj » j_max - j_max. Это связано с тем, что фазовый угол j может изменяться в зависимости от режима работы двигателя. Он минимальный в номинальном режиме и максимальный при пуске или холостом ходе.

2. Тиристорный контактор имеет в сравнении с электромагнитным следующие основные преимущества:

- при коммутации цепи не возникает электрическая дуга;

- отсутствуют подвижные части в конструкции контактора;

- в продолжительном и повторно – кратковременном режимах работы имеет практически неограниченную частоту включений и отключений;

- практически бесшумен в работе;

- прост в обслуживании.

3. Для прямого пуска АД применяются тиристорные пускатели как с аналоговой, так и цифровой схемами управления.