Плавний пуск. Від теорії до практики

1. Вибір схеми силової частини
2. вибір елементів
3. Вибір класу напруги тиристорів
4. Тепловий розрахунок. результати
5. запобіжники
6. висновки
7. Інші статті на цю тему:

Наша сеть партнеров Banwar

2006

У статті описані моменти, на які слід звернути увагу при виборі елементів і тепловому розрахунку силової частини пристрою плавного пуску.

Асинхронний електродвигун (АТ) з короткозамкненим ротором - найпоширеніший тип електродвигунів, що застосовуються в промисловості. На середньому промисловому підприємстві парк приводів з використанням асинхронних електродвигунів досягає часом сотень, а то і тисяч одиниць. І якщо з двигунами малої потужності проблем з пуском зазвичай не буває, то для електромоторів середньої і великої потужності (від 75 кВт і вище) пряме включення призводить до виникнення значних пускових струмів, а момент двигуна при цьому може перевищити допустиме значення. Крім того, різка зміна моменту при наявності люфту і зазорів призводить до динамічного удару в трансмісії приводу.

Пусковий струм для більшості асинхронних двигунів знаходиться в межах 4 ... 7 Iном і залежить від безлічі параметрів електродвигуна (активний опір обмоток, кількість полюсів двигуна, величина зазору між ротором і статором, кількість і форма пазів для укладання обмоток, конструкція «білячої клітини», обмотки ротора і т. д.).

Недоліки прямого пуску очевидні:

1. зниження терміну служби комутаційних апаратів;
2. зниження терміну служби самого двигуна;
3. перевантаження мережі живлення (трансформатора підстанції), особливо якщо є ймовірність одночасного запуску двигунів, які живляться від одного трансформатора;
4. падіння напруги в мережі, що негативно впливає як на сам процес запуску двигуна, так і на інших споживачів електричної енергії;
5. різка зміна моменту двигуна призводить до додаткового зносу трансмісії приводу, динамічним ударам в технологічному обладнанні.

Тиристорне пристрій плавного пуску, або так званий плавний пускач, є найпоширенішим рішенням проблеми прямого пуску. У даній статті ми спробуємо розкрити і показати на практиці основні моменти, з якими стикається розробник системи плавного пуску при виборі і розрахунку силової частини і системи охолодження плавного пускача або софт-стартера.

Вибір схеми силової частини

Основою силової частини тиристорного пристрою плавного пуску є сімісторний ключ (два тиристора, включених зустрічно-паралельно). Можливі три варіанти побудови схеми силового каскаду (рис. 1):

Мал. 1. Можливі конфігурації силової частини плавного пускача

1. комутація однієї фази;
2. комутація двох фаз;
3. комутація трьох фаз.

Єдина перевага перших двох варіантів схеми - низька ціна в порівнянні з третім варіантом. Принциповим же недоліком є ​​перекіс фазних струмів і напруг двигуна. В даний час вартість силових тиристорів істотно знизилася. Тому найбільш перспективним і економічно доцільним вбачається застосування схеми з комутацією всіх трьох фаз. Треба зауважити, що при з'єднанні обмоток двигуна в трикутник можливе включення сімісторного ключа не в фазу кола живлення, а в розрив обмотки (рис. 2). В такому випадку струм кожного ключа в √3 разів менше фазного струму, що призводить до поліпшення ККД пристрою і дозволяє використовувати тиристори на менший струм.

Мал. 2. Включення сімісторного ключа в розрив обмотки

Вихідні дані (узагальнені параметри умовного двигуна):

• напруга - 380 В;
• номінальна потужність - 90 кВт;
• коефіцієнт потужності - 0,8;
• ККД - 0,9;
• номінальний струм - 189 А;
• максимально допустима кратність пускового струму - 5 × протягом 10 с (945 А протягом 10 с)

Як початковий вибір компонентів і схем включення, так і подальше уточнення результуючих параметрів розроблюваної збірки тісно пов'язані з тепловим розрахунком. Тому зараз і надалі ми будемо використовувати програму теплового розрахунку SEMISEL. З онлайн-версією можна працювати на сайті SEMIKRON: http://semisel.semikron.com.

Дистрибутив локальної версії програми (для установки на комп'ютер) доступний за адресою: http://www.semikron.com.ru/semisel.zip (6,2 Мбайт).

вибір елементів

Для того щоб виконати тепловий розрахунок, необхідно зробити попередній вибір елементів. В якості вихідного варіанта можна використовувати три модулі SKKT 430/14 E на радіаторі P16 / 300F.

Для довідки: SKKT 430/14 E- модуль тиристор / тиристор в корпусі SEMIPACK 5, який має робочу напругу 1400 на, максимальний середній струм I TAV = 440 A (sin. 180; T c = 85 ° C). «E» в назві компонента означає стійкість до dU / dt (1000 В / мкс).

В позначенні радіатора: P16 - найменування профілю, 300 мм - довжина, F - спосіб охолодження (примусовий повітряний).

Можливі варіанти тиристорів і тиристорних модулів для створення силового каскаду плавного пускача наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Орієнтовні характеристики тиристорних ключів

На замітку: Використовуючи нову можливість програми SEMISEL - Device Proposal, ви можете дуже швидко зробити попередній вибір силових напівпровідникових приладів. Для цього необхідно вибрати схему (W3C - для плавного пускача), ввести необхідні параметри (номінальну напругу, частота, максимальний тривалий струм і температура радіатора). Програма сама підбере можливі варіанти, а в результатах попереднього розрахунку (рис. 3) можна буде побачити сумарну величину втрат і результуючу температуру кристала тиристора. Тільки слід пам'ятати, що максимальний тривалий струм треба вибирати з відповідним запасом, так як величину і тривалість перевантаження Device Proposal не враховує.

Мал. 3. Device Proposal. Результати попереднього вибору тиристорів

Вибір класу напруги тиристорів

З огляду на якість наших мереж і те, що клас напруги на вартість модулів впливає не значно (близько 3% на кожні 200 В), вибираємо рекомендований програмою 14-й клас - 1400 В (рис. 4). Вибравши клас напруги приладу з запасом, ми не повинні забувати про необхідність застосування снабберних RC-ланцюгів, які не тільки захищають від комутаційних перенапруг, а й обмежують швидкість зміни напруги на висновках тиристора.

Мал. 4. Вибір тиристорного модуля

При підборі модулів в поєднанні з теплоотводом ми рекомендуємо використовувати досвід SEMIKRON і орієнтуватися на розрахункові дані готових збірок. Наш вибір (SKKT 430 + P16 / 300F), наприклад, заснований на готовому рішенні від SEMIKRON - збірці SKS 620F W3C 740 V22 (U max = 690 В, тривалий струм I max = 620 A при температурі навколишнього середовища T = 35 ° C або 560 А при T = 40 ° C). Детальний опис параметрів всіх збірок можна знайти на сайті компанії в розділі продукції SEMISTACK (збірки) за адресою: www.semikron.com/internet/index.jsp?sekId=367

Список основних параметрів збірок за схемою W3C (плавний пуск, регулятор змінного струму, 3-фазний AC-ключ, 3-фазний тиристорний комутатор - це різні назви однієї і тієї ж топології) наведено в таблиці 2.

Таблиця 2. Складання SEMISTACK - готові рішення від SEMIKRON

Вивчивши таблицю 2, можна помітити різницю між рішеннями з природним і примусовим повітряним охолодженням. Наприклад, складання SKS 780N W3C 670 V16 і SKS 780F W3C 680 V16 розраховані на один і той же тривалий струм. Але вибір режиму природного охолодження обумовлює застосування більш потужних ключів і масивних радіаторів. У першому випадку використовуються тиристори SKT 1200, які більш ніж в два рази дорожче, ніж SKT 551, обрані в якості силових ключів для другого варіанту. Масивний радіатор також негативно позначиться на собівартості плавного пускача.

З іншого боку, чим більше маса радіатора, тим більше його теплоємність. Це пояснює той факт, що перший варіант (SKS 780N W3C 670 V16, природне повітряне охолодження) має велику перевантажувальну здатність, ніж другий (I200% = +1286 А). На графіках залежності номінального струму від тривалості перевантаження (рис. 5, 6) це добре видно.

Мал. 5. Залежність номінального струму від тривалості перевантаження. Природне повітряне охолодження

Мал. 6. Залежність номінального струму від тривалості перевантаження. Примусове повітряне охолодження

Можна також оцінити, наскільки впливає вибір типу системи охолодження при використанні одного і того ж номіналу напівпровідникового приладу. Так, використовуючи тиристори SKT 551, можна побудувати силову збірку або на ток 440 А з природним повітряним охолодженням (див. Табл. 2, SKS 440N W3C 380 V16), або на ток 780 А з примусовим (див. Табл. 2, SKS 780F W3C 680 V16).

На замітку: Використовуючи нову можливість програми SEMISEL - StackSel, ви можете виконати тепловий розрахунок на основі обраної вами збірки і ваших вихідних даних (потужність, струм, кратність і тривалість перевантаження, температура навколишнього середовища - рис. 7). Таким чином, можна перерахувати і отримати максимальний тривалий струм для температури навколишнього середовища, що відрізняється від 35 ° C, наприклад 40 ° C. Або перевірити перевантажувальну здатність певної збірки при інших параметрах кратності і тривалості перевантаження, наприклад, 150% протягом 1 хв.

Мал. 7. StackSel - вибір готової збірки

Тепловий розрахунок. результати

Використовуючи вихідні дані, прораховуємо кілька варіантів.

1. Тривалий режим, номінальний струм Iout = 189 A

Знаходимо схему (W3C), вводимо основні параметри (Iout = 189 A, Overload factor = 1). Вибираємо модуль SEMIPACK SKKT 430 (рис. 4). Опція «Use maximum values» дозволяє аналізувати найгірший варіант з урахуванням розкиду параметрів модулів. Далі вводимо параметри системи охолодження:

• температура охолоджуючої середовища Ta = 40 ° C;
• режим примусового повітряного охолодження ( «forced air cooling»);
• тип радіатора P16_300_16B (16B означає, що використовується вентилятор SEMIKRON SKF 16B).

Оскільки ми припускаємо, що всі три модулі розташовані на одному теплоотводе, необхідно в графі «Number of switch per heatsink» (кількість ключів на радіаторі) ввести 6 (3 модуля по 2 тиристора). Оскільки паралельне з'єднання модулів не використовується, у відповідному полі залишаємо «1».

До речі, опція «Additional power source at this heatsink» (додаткове джерело тепла на цьому охолоджувачі) дозволяє врахувати тепло, що виділяється іншими елементами, розташованими на цьому ж радіаторі.

Розрахунки показують, що результуюча температура кристала силового ключа (Tj = 68 ° C) при заданих умовах менше гранично допустимого значення більш ніж на 60 ° C.

Вводимо вполе кратності перевантаження (overload factor) значення 4. Вийшло при цьому значення (Tj = 121 ° C) забезпечує запас по перегріву 9 ° C.

Отримавши задовільний результат, можна підібрати відповідну тривалість режиму перевантаження:

Результат: Tj = 122 ° C, запас по перегріву - 8 ° C.

Результат: Tj = 125 ° C, запас по перегріву - 5 ° C. Зауважимо, що 10 хв - це практично сталий режим (рис. 8). Виходячи з цього, неважко припустити, що і паузу між пусками можна встановити рівний 10 хв. Перевірити це припущення можна, задавши в SEMISEL відповідний цикл навантаження в режимі «User defined load cycle».

Мал. 8. Результати розрахунку. 3 × Iном = 567 А протягом 10 хв

Деякі важливі моменти, які необхідно враховувати при розрахунку і виборі елементів силової частини плавного пускача:

1. Є два шляхи здобуття чималих перевантажувальних здібностей (3 × -кратноє і вище): вибір більш потужних тиристорів або більш масивних радіаторів (перевантажувальна здатність збільшується за рахунок більшої теплоємності охолоджувача). Перший варіант є досить дорогим, другий - збільшує вагу пристрою. Ще один недолік другого варіанту - велика теплоємність вимагає збільшення паузи між пусками.
2. Якщо ваш радіатор має досить високу теплоємність, а плавний пускач шунтируется відразу після запуску і не працює в тривалому режимі на номінальне навантаження, то ефективність тепловідведення (статичну тепловий опір Rth) і наявність вентилятора впливатимуть тільки на швидкість охолодження і, відповідно, на мінімальну паузу між пусками. Простіше кажучи, один із способів позбавитися від примусового охолодження в плавному пускачі - мати масивний радіатор і шунтировать тиристори контактором відразу після запуску двигуна.
3. У базі даних програми SEMISEL і в описах на модулі задано значення теплового опору «корпус - тепловідвід» Rth (cs). Це теплове опір залежить не тільки від конструкції самого модуля, але і від якості теплового контакту. В інструкції з монтажу модулів вказані певні вимоги до якості поверхні радіатора, значення моменту затягування кріпильних болтів і товщина шару теплопроводящей пасти. Дотримання норми, і результати теплових розрахунків будуть збігатися з результатами випробувань. Також майте на увазі, що реальне значення теплового опору Rth (sa) може відрізнятися від розрахункового, оскільки один і той же радіатор, в залежності від розмірів, кількості і взаємного розташування модулів на ньому, може мати різні теплові опори. При виборі тепловідведення уважно вивчайте його технічні характеристики, зазвичай в них вказується залежність теплових опорів від довжини радіатора, числа встановлених модулів, швидкості потоку повітря і т. Д.
4. Ви все розрахували і провели випробування розробленого вами пристрою. Але чомусь реальна температура радіатора відрізняється від розрахункової (виміряна зазвичай менше). Перш ніж сумніватися в правильності своїх розрахунків, перевірте наступні моменти. Чи збігається температура повітря при випробуваннях з використовуваної для розрахунку (аналіз був проведений для Та = 40 ° C)? В якому місці була визначена температура? Розрахункова точка вимірювання температури радіатора знаходиться на його поверхні безпосередньо в місці теплового контакту з модулем. А температура в цій точці може сильно відрізнятися від виміряної (рис. 9). Не забувайте також, що розрахунок був проведений з використанням опції «Use maximum values», а значить, ми аналізували найгірший варіант. Спробуйте застосувати режим «Use typical values», різниця в результатах може досягати 20 ° C. Якщо і це не допомогло, ймовірно, теплові опори в розрахунку не співпадають з реальними значеннями (див. Попередній пункт).

Мал. 9. Температура в різних точках радіатора

Мал. 10. Зовнішній вигляд збірки SKS 620F W3C 740 V22 (3 × SKKT 430 на радіаторі P16 / 300 + вентилятор SKF 16 B)

запобіжники

Як і будь-які інші напівпровідники, тиристори необхідно захищати від перевантаження і короткого замикання. Для захисту тиристорів від пошкодження струмами короткого замикання зазвичай використовуються швидкодіючі запобіжники. Для їх правильного вибору в технічних характеристиках тиристорного модуля наводиться параметр I2t, значення якого обов'язково повинно бути більше відповідного значення в технічних характеристиках запобіжника. При цьому слід перевірити, користуючись тимчасово-струмовими залежностями, чи витримає запобіжник максимально можливі для нашого пристрою перевантаження.

висновки

Вищесказане, звичайно, не охоплює абсолютно всі тонкощі і деталі вибору і розрахунку пристрою плавного пуску. Ми не торкнулися питання, пов'язані із застосуванням снабберних RC-ланцюгів, необхідних для захисту тиристорів від перенапруг і довільного включення в разі перевищення критичного значення dU / dt, а також методику розрахунку швидкості повітряного потоку вентилятора, що працює на певний охолоджувач і алгоритми управління тиристорами.

У більшості випадків розробнику, не досвідченому в тонкощах розробки силового каскаду, швидше і вигідніше придбати готове рішення. Компанія SEMIKRON має багатий досвід не тільки в технологіях корпусування силових напівпровідників, а й у виробництві готових збірок SEMISTACK.

Вибираючи різні збірки і плату управління SKSS1 від SEMIKRON, ви отримуєте можливість в максимально стислі терміни створити лінійку пристроїв плавного пуску.

Клієнти компанії SEMIKRON мають багатий вибір стандартних силових каскадів SEMISTACK (докладніше на сайті www.semikron.com), а дев'ять центрів розробки SEMIKRON і інженери технічної підтримки по всьому світу завжди раді допомогти клієнтові в створенні нових технічних і конструктивних рішень в області перетворювальної техніки.

Завантажити статтю в форматі PDF

Інші статті на цю тему:

повідомити про помилку