Сравнителен анализ на работата на тиристори и IGBT транзистори на базата на плавен старт
Тази статия оценява производителността на двигател с разделена фаза и задвижвания на трифазен асинхронен двигател за плавен старт. Документът систематично изследва и сравнява характеристиките на променливотоковото напрежение на задвижване на асинхронен двигател за два различни типа безшокови стартери; единият базиран на IGBT, а другият на базата на тиристор. Експерименталното обосноваване беше извършено с помощта на аналогова контурна система, разработена в лабораторията. Новостта на работата се състои в разработването на прости и гъвкави симулационни модели и експериментална обосновка.
Ключови думи:Задвижване с променлива скорост, Безударен стартер, Тиристор, Биполярен транзистор с изолиран затвор.
1. Въведение
Директното неавтономно стартиране на големи асинхронни двигатели е значителен проблем както за мрежата, така и за самия двигател поради внезапни спадове на напрежението и големи флуктуации на въртящия момент, което беше разгледано в работите на Уилямс и Грифит (1978), Брус и др. (1984) и Невелстийн и Арагон (1989). Понякога, поради релето за изключване на ниско напрежение и претоварване, двигателят може да не стартира. Вместо това стартирането с намалено напрежение се използва специално за стартиране на големи индукционни машини с помощта на автотрансформатор. Обемът и цената на автотрансформаторите обаче ограничават тяхното използване. Стартерите за асинхронни двигатели, базирани на силови електронни преобразуватели, по-често наричани безшокови стартери, набират популярност и бързо заменят традиционните стартери за ниско напрежение, използващи автотрансформатори, както съобщават Shephard (1976), Mazda (1973), Mozder и Bose (1976), Rashid(1993), Rowan и Merrison (1991), Lipo (1971a) и Lipo (1971b). Обикновено се използват две конфигурации на безшокови стартери.
- Пускови стартери с обратен тиристор, наричани още регулатори на AC напрежение.
- DC/DC преобразувател с биполярен транзистор с изолиран порт (IGBT) и тиристор с двойно действие с комутируем порт (GTO).
Тиристорните безударни стартери са икономични, лесни за използване и надеждни. Те могат да се използват икономично при стартиране на големи асинхронни двигатели със средно напрежение, които имат изискване за нисък начален въртящ момент. При използване на стартер, базиран на силов електронен преобразувател, първоначалният пусков ток на двигателя може да бъде значително намален. Освен това те осигуряват плавно ускорение, улесняват регулирането на тока и пестят енергия при частично натоварване. Тиристорите първоначално се задействат при по-голям ъгъл на запалване (при намалено напрежение) с мек старт, последван от намаляване на ъгъла на запалване и впоследствие увеличаване на напрежението, приложено към двигателя. Първоначалният стартов въртящ момент след спиране на асинхронен двигател е пропорционален на квадрата на приложеното напрежение. Така че със сигурност има ефект върху стартирането на асинхронния двигател под товар. В допълнение, качеството на изходното напрежение е лошо със силно изкривяване и нисък фактор на мощността. Проблемът с по-високия общ коефициент на хармонично изкривяване е най-очевиден при голям ъгъл на запалване. Този метод е много ефективен, когато двигателят работи при условия на леко натоварване, както е показано от Eltamaly et al. (2007a), Eltamaly et al. (2007b), Vasquez et al.и др. (2008) и Хамед и Челмърс (1990).
По света са правени многобройни опити за подобряване на работата на безшоковите стартери и са приложени няколко различни варианта: Hyun и Chow (1998), Deleroy и др. (1989), Zenginobuz и др. (2004), Gastly и Ahmed (2005) и Kashif и Saqib (2007). Hyun и Chow (1998) предлагат използването на понижаващ регулатор на променливотоковото напрежение, използващ трансформатор с изходен превключвател и PWM чопър. Предложената конфигурация на регулатора може да увеличава или намалява изходното напрежение чрез превключване на изходните намотки на трансформатора и ви позволява да регулирате точното натоварване на изходното напрежение с помощта на PWM чопър. Основното подобрение на тази схема е непрекъснатият AC вход, за разлика от традиционния AC регулатор, където входният ток може да бъде прекъснат. В Deleroy et al.(1989) превключващата функция се определя на базата на ъгъла на задействане на тиристора и се прилага в контролера. Преходният отговор е значително подобрен с помощта на тази техника. Производителността на стартер с асинхронен двигател, използващ безударен стартер, е значително подобрена от Zenginobuz (2004), където стартирането е оптимизирано, за да се елиминира пулсацията на въртящия момент на честотата на мрежата. Gastly и Ahmed (2005) и Kashif и Saqib (2007) са използвали методи, базирани на AI, за да подобрят началната ефективност. По-късно Jong et al.(2009) адаптират веригата за плавен старт на помпата, за да подобрят режима на стартиране на индукционната машина. ШИМ сигналите се генерират от управляващия блок, който задейства тиристорите, за да поддържат тока в зададените граници. Управлението на помпата е метод за управление на въртящия момент.въртящ момент, при който PID контролерът се използва за регулиране на въртящия момент. От друга страна, Bernatt et al.(2009) предложиха специален дизайн на роторна клетка за голяма индукционна машина за подобряване на стартовата производителност. Eltamaly и др. (2009) предложиха цифрова тригерна схема за двупосочни тиристори въз основа на използваната входна форма. Сензорът определя режима на работа и съответно се формират импулси на селектора на триак. Charles и Bhuvameshwari (2009) приложиха шунт активен филтър между регулатора на променливотоковото напрежение и входното захранване, за да елиминират проблема с качеството на захранването, който възниква, когато регулаторът на променливотоковото напрежение работи независимо.
В тази статия се спряхме на класическата конфигурация на стартер с тиристор и силови превключватели с биполярен транзистор с изолиран затвор както за еднофазни, така и за трифазни асинхронни двигатели. Пълен симулационен модел се получава с помощта на софтуер от Matlab/Simulink за предложените конфигурации. След това в лабораторията беше разработен безударен стартер, базиран на прототипна аналогова схема, и резултатите от симулацията бяха проверени по време на експерименталното му внедряване. По този начин основните цели на тази работа включват разработването на прост и гъвкав симулационен модел за безударни стартери на асинхронни машини. Режимът на работа на стартерите може лесно да се провери с помощта на предложените симулационни модели. Работата е разделена на пет глави; първата глава се занимава с еднофазната система, втората описва подробно изпълнението на трифазната задвижваща система, третата представя подробно описание на пилотното проучване, последвано от заключение и библиография.
2.Разработка на модели на Matlab®/Simulink®
Към днешна дата почти всички процеси и методи се моделират първо, преди реалното им прилагане. Това значително намалява броя на опитите и цената на реалното внедряване. Ефективността на система/процес/метод може да бъде точно оценена с помощта на подходящи симулационни модели. По този начин моделите трябва да бъдат гъвкави и точни, както и да вземат предвид проблемите на реалното прилагане. В момента, поради бързото развитие на хардуера и софтуера, са налични нови по-бързи и по-удобни софтуерни пакети за симулация. Тази статия обсъжда използването на един от тези софтуерни пакети SIMULINK от MATLAB. Основното предимство на SIMULINK пред други софтуерни инструменти е, че вместо да бъде компилиран, симулационният модел се изгражда систематично с помощта на функционални блокове. Набор от машинни диференциални уравнения може да бъде моделиран чрез комбиниране на подходящи блокове, всеки от които изпълнява специфична математическа операция. Сложността на програмирането е намалена до максимум, а премахването на грешките е значително опростено. Ако SIMULINK се използва като симулационна програма, симулационният модел може лесно да бъде разширен чрез добавяне на нови подмодели, за да се вземат предвид различни контролни функции. Индукционен двигател може да бъде включен в цялостна система за задвижване на двигателя от библиотеката Simulink. Симулацията на монофазни и трифазни регулатори на напрежение от Simulink е изградена в два варианта, т.е. с тиристор и IGBT, а резултатите са оценени в следващите глави.
2.1 Модел на монофазен безударен стартер с тиристор от Matlab®/Simulink®
Пълен симулационен модел на еднофазен регулатор на напрежение за плавно стартиране на асинхронна машина с помощта на тиристори е показан на фигура 1. Еднофазно синусоидално напрежение се генерира с помощта на блок източник на напрежение от библиотеката Simulink. Селекторните импулси, генерирани от подсистемата (виж Фигура 2), се предават към антипаралелните тиристори. Сигналите за превключване имат стойност или 0 (деактивиране), или 1 (активиране). Натоварването се приема като просто съотношение на индуктивност и съпротивление и начало на кондензатор с разделена фаза. Моделът, показан на фиг. 1 изобразява съотношението на натоварване индуктивност-съпротивление, докато двигателят просто измества това натоварване, а резултатите се обработват отделно както за съотношението на натоварване индуктивност-съпротивление, така и за натоварването на двигателя. Извършва се симулация, за да се определи общото хармонично изкривяване на изходния ток
Регулируемите граници на ъгъла на изстрелване (α) варират от α = 0 до α = π/2. Общата стойност на коефициента на нелинейно изкривяване нараства до по-големи стойности на α, което означава повишена хармонична стойност в линейния ток и напрежение. Трябва да се отбележи, че общата стойност на коефициента на хармонично изкривяване е много по-ниска за натоварването на двигателя в сравнение със съотношението на индуктивност и съпротивление. Отговорът на скоростта на двигателя към различни ъгли на преминаване на тока е показан на Фигура 3. Тук ясно се вижда, че отговорът е по-бърз при по-малък ъгъл на преминаване на тока и става по-бавен при постепенно нарастващ ъгъл. Очевидната причинатова е по-ниско средно изходно напрежение.
Реакцията на въртящия момент както на статора, така и на вълните на ротора на двигателя с разделена фаза за ъгъл на проводимост от 60° са показани на фигури 4-5. Няма типична реакция на двигателя, статорният ток и въртящият момент са постоянни. След това двигателят достига постоянната си скорост. От друга страна, трябва да се отбележи, че изпълнението съдържа вълнички.
