Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №2

Плавный пуск. От теории к практике

Ермаков Михаил


В статье описаны моменты, на которые следует обратить внимание при выборе элементов и тепловом расчете силовой части устройства плавного пуска.

Асинхронный электродвигатель (АД) с короткозамкнутым ротором — самый распространенный тип электродвигателей, применяемых в промышленности. На среднем промышленном предприятии парк приводов с использованием асинхронных электродвигателей достигает порой сотен, а то и тысяч единиц. И если с двигателями малой мощности проблем с пуском обычно не бывает, то для электромоторов средней и большой мощности (от 75 кВт и выше) прямое включение приводит к возникновению значительных пусковых токов, а момент двигателя при этом может превысить допустимое значение. Кроме того, резкое изменение момента при наличии люфта и зазоров приводит к динамическому удару в трансмиссии привода.

Величина пускового тока для большинства асинхронных двигателей находится в пределах 4…7 Iном и зависит от множества параметров электродвигателя (активное сопротивление обмоток, количество полюсов двигателя, величина зазора между ротором и статором, количество и форма пазов для укладки обмоток, конструкция «беличьей клетки», обмотки ротора и т. д.).

Недостатки прямого пуска очевидны:

  1. снижение срока службы коммутационных аппаратов;
  2. снижение срока службы самого двигателя;
  3. перегрузка питающей сети (трансформатора подстанции), особенно если есть вероятность одновременного запуска двигателей, питающихся от одного трансформатора;
  4. падение напряжения в сети, что негативно влияет как на сам процесс запуска двигателя, так и на остальных потребителей электрической энергии;
  5. резкое изменение момента двигателя приводит к дополнительному износу трансмиссии привода, динамическим ударам в технологическом оборудовании.

Тиристорное устройство плавного пуска, или так называемый плавный пускатель, является самым распространенным решением проблемы прямого пуска. В данной статье мы попытаемся раскрыть и показать на практике основные моменты, с которыми сталкивается разработчик системы плавного пуска при выборе и расчете силовой части и системы охлаждения плавного пускателя или софт-стартера.

Выбор схемы силовой части

Основой силовой части тиристорного устройства плавного пуска является симисторный ключ (два тиристора, включенных встречно-параллельно). Возможны три варианта построения схемы силового каскада (рис. 1):

Возможные конфигурации силовой части плавного пускателя
Рис. 1. Возможные конфигурации силовой части плавного пускателя
  1. коммутация одной фазы;
  2. коммутация двух фаз;
  3. коммутация трех фаз.

Единственное преимущество первых двух вариантов схемы — низкая цена по сравнению с третьим вариантом. Принципиальным же недостатком является перекос фазных токов и напряжений двигателя. В настоящее время стоимость силовых тиристоров существенно снизилась. Поэтому наиболее перспективным и экономически целесообразным видится применение схемы с коммутацией всех трех фаз. Надо заметить, что при соединении обмоток двигателя в треугольник возможно включение симисторного ключа не в фазу цепи питания, а в разрыв обмотки (рис. 2). В таком случае ток каждого ключа в √3 раз меньше фазного тока, что приводит к улучшению КПД устройства и позволяет использовать тиристоры на меньший ток.

Включение симисторного ключа в разрыв обмотки
Рис. 2. Включение симисторного ключа в разрыв обмотки

Исходные данные (обобщенные параметры условного двигателя):

  • напряжение — 380 В;
  • номинальная мощность — 90 кВт;
  • коэффициент мощности — 0,8;
  • КПД — 0,9;
  • номинальный ток — 189 А;
  • максимально допустимая кратность пускового тока — 5× в течение 10 с (945 А в течение 10 с)

Как первоначальный выбор компонентов и схем включения, так и дальнейшее уточнение результирующих параметров разрабатываемой сборки тесно связаны с тепловым расчетом. Поэтому сейчас и в дальнейшем мы будем использовать программу теплового расчета SEMISEL. С онлайн-версией можно работать на сайте SEMIKRON: http://semisel.semikron.com.

Дистрибутив локальной версии программы (для установки на компьютер) доступен по адресу: http://www.semikron.com.ru/semisel.zip (6,2 Мбайт).

Выбор элементов

Для того чтобы выполнить тепловой расчет, необходимо сделать предварительный выбор элементов. В качестве исходного варианта можно использовать три модуля SKKT 430/14 E на радиаторе P16/300F.

Для справки: SKKT 430/14 E— модуль тиристор/тиристор в корпусе SEMIPACK 5, имеющий рабочее напряжение 1400 В, максимальный средний ток ITAV = 440 A (sin. 180; Tc = 85 °C). «E» в названии компонента означает стойкость к dU/dt (1000 В/мкс).

В обозначении радиатора: P16 — наименование профиля, 300 мм — длина, F — способ охлаждения (принудительный воздушный).

Возможные варианты тиристоров и тиристорных модулей для создания силового каскада плавного пускателя приведены в таблице 1.

Таблица 1. Ориентировочные характеристики тиристорных ключей

На заметку: Используя новую возможность программы SEMISEL — Device Proposal, вы можете очень быстро сделать предварительный выбор силовых полупроводниковых приборов. Для этого необходимо выбрать схему (W3C — для плавного пускателя), ввести требуемые параметры (номинальное напряжение, частота, максимальный длительный ток и температура радиатора). Программа сама подберет возможные варианты, а в результатах предварительного расчета (рис. 3) можно будет увидеть суммарную величину потерь и результирующую температуру кристалла тиристора. Только следует помнить, что максимальный длительный ток надо выбирать с соответствующим запасом, так как величину и длительность перегрузки Device Proposal не учитывает.

Device Proposal. Результаты предварительного выбора тиристоров
Рис. 3. Device Proposal. Результаты предварительного выбора тиристоров

Выбор класса напряжения тиристоров

Учитывая качество наших сетей и то, что класс напряжения на стоимость модулей влияет не значительно (около 3% на каждые 200 В), выбираем рекомендованный программой 14-й класс — 1400 В (рис. 4). Выбрав класс напряжения прибора с запасом, мы не должны забывать о необходимости применения снабберных RC-цепей, которые не только защищают от коммутационных перенапряжений, но и ограничивают скорость изменения напряжения на выводах тиристора.

Выбор тиристорного модуля
Рис. 4. Выбор тиристорного модуля

При подборе модулей в сочетании с теплоотводом мы рекомендуем использовать опыт SEMIKRON и ориентироваться на расчетные данные готовых сборок. Наш выбор (SKKT 430 + P16/300F), например, основан на готовом решении от SEMIKRON — сборке SKS 620F W3C 740 V22 (Umax = 690 В, длительный ток Imax = 620 A при температуре окружающей среды T = 35 °C или 560 А при T = 40 °C). Подробное описание параметров всех сборок можно найти на сайте компании в разделе продукции SEMISTACK (сборки) по адресу: www.semikron.com/internet/index.jsp?sekId=367

Список основных параметров сборок по схеме W3C (плавный пуск, регулятор переменного тока, 3-фазный AC-ключ, 3-фазный тиристорный коммутатор — это различные названия одной и той же топологии) приведен в таблице 2.

Таблица 2. Сборки SEMISTACK — готовые решения от SEMIKRON

Изучив таблицу 2, можно заметить разницу между решениями с естественным и принудительным воздушным охлаждением. Например, сборки SKS 780N W3C 670 V16 и SKS 780F W3C 680 V16 рассчитаны на один и тот же длительный ток. Но выбор режима естественного охлаждения обусловливает применение более мощных ключей и массивных радиаторов. В первом случае используются тиристоры SKT 1200, которые более чем в два раза дороже, нежели SKT 551, выбранные в качестве силовых ключей для второго варианта. Массивный радиатор также негативно скажется на себестоимости плавного пускателя.

С другой стороны, чем больше масса радиатора, тем больше его теплоемкость. Это объясняет тот факт, что первый вариант (SKS 780N W3C 670 V16, естественное воздушное охлаждение) имеет большую перегрузочную способность, чем второй (I200% = 1286 А). На графиках зависимости номинального тока от длительности перегрузки (рис. 5, 6) это хорошо видно.

Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Естественное воздушное охлаждение
Рис. 5. Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Естественное воздушное охлаждение
Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Принудительное воздушное охлаждение
Рис. 6. Зависимость номинального тока от длительности перегрузки. Принудительное воздушное охлаждение

Можно также оценить, насколько влияет выбор типа системы охлаждения при использовании одного и того же номинала полупроводникового прибора. Так, используя тиристоры SKT 551, можно построить силовую сборку либо на ток 440 А с естественным воздушным охлаждением (см. табл. 2, SKS 440N W3C 380 V16), либо на ток 780 А с принудительным (см. табл. 2, SKS 780F W3C 680 V16).

На заметку: Используя новую возможность программы SEMISEL — StackSel, вы можете выполнить тепловой расчет на основе выбранной вами сборки и ваших исходных данных (мощность, ток, кратность и длительность перегрузки, температура окружающей среды — рис. 7). Таким образом, можно пересчитать и получить максимальный длительный ток для температуры окружающей среды, отличающейся от 35 °C, например 40 °C. Или проверить перегрузочную способность определенной сборки при других параметрах кратности и длительности перегрузки, например, 150% в течение 1 мин.

StackSel — выбор готовой сборки
Рис. 7. StackSel — выбор готовой сборки

Тепловой расчет. Результаты

Используя исходные данные, просчитываем несколько вариантов.

  1. Длительный режим, номинальный ток Iout = 189 A
  2. Находим схему (W3C), вводим основные параметры (Iout = 189 A, Overload factor = 1). Выбираем модуль SEMIPACK SKKT 430 (рис. 4). Опция «Use maximum values» позволяет анализировать наихудший вариант с учетом разброса параметров модулей. Далее вводим параметры системы охлаждения:

    • температура охлаждающей среды Ta = 40 °C;
    • режим принудительного воздушного охлаждения («forced air cooling»);
    • тип радиатора P16_300_16B (16B означает, что используется вентилятор SEMIKRON SKF 16-B).

    Поскольку мы предполагаем, что все три модуля расположены на одном теплоотводе, необходимо в графе «Number of switch per heatsink» (количество ключей на радиаторе) ввести 6 (3 модуля по 2 тиристора). Поскольку параллельное соединение модулей не используется, в соответствующем поле оставляем «1».

    Кстати, опция «Additional power source at this heatsink» (дополнительный источник тепла на этом охладителе) позволяет учесть тепло, выделяемое другими элементами, расположенными на этом же радиаторе.

    Расчеты показывают, что результирующая температура кристалла силового ключа (Tj = 68 °C) при заданных условиях меньше предельно допустимого значения более чем на 60 °C.

  3. 5×-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (5 × Iном = 945 А в течение 10 с)
  4. Вводим вполе кратности перегрузки (overload factor) значение 4. Получившееся при этом значение (Tj = 121 °C) обеспечивает запас по перегреву 9 °C.

    Получив удовлетворительный результат, можно подобрать соответствующую длительность режима перегрузки:

  5. 4×-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (4 × Iном = 756 А в течение 35 с)
  6. Результат: Tj = 122 °C, запас по перегреву — 8 °C.

  7. 3×-кратная перегрузка после установившегося длительного номинального режима (3 × Iном = 567 А в течение 10 мин)
  8. Результат: Tj = 125 °C, запас по перегреву — 5 °C. Заметим, что 10 мин — это практически установившийся режим (рис. 8). Исходя из этого, нетрудно предположить, что и паузу между пусками можно установить равной 10 мин. Проверить это предположение можно, задав в SEMISEL соответствующий цикл нагрузки в режиме «User defined load cycle».

Рис. 8. Результаты расчета. 3 × Iном = 567 А в течение 10 мин

Некоторые важные моменты, которые необходимо учитывать при расчете и выборе элементов силовой части плавного пускателя:

  1. Есть два пути получения достаточно больших перегрузочных способностей (3×-кратные и выше): выбор более мощных тиристоров либо более массивных радиаторов (перегрузочная способность увеличивается за счет большей теплоемкости охладителя). Первый вариант является довольно дорогим, второй — увеличивает вес устройства. Еще один недостаток второго варианта — большая теплоемкость требует увеличения паузы между пусками.
  2. Если ваш радиатор обладает достаточно высокой теплоемкостью, а плавный пускатель шунтируется сразу после запуска и не работает в длительном режиме на номинальную нагрузку, то эффективность теплоотвода (статическое тепловое сопротивление Rth) и наличие вентилятора будут влиять только на скорость охлаждения и, соответственно, на минимальную паузу между пусками. Проще говоря, один из способов избавиться от принудительного охлаждения в плавном пускателе — иметь массивный радиатор и шунтировать тиристоры контактором сразу после запуска двигателя.
  3. В базе данных программы SEMISEL и в описаниях на модули задано значение теплового сопротивления «корпус — теплоотвод» Rth(c-s). Это тепловое сопротивление зависит не только от конструкции самого модуля, но и от качества теплового контакта. В инструкции по монтажу модулей указаны определенные требования к качеству поверхности радиатора, значения момента затягивания крепежных болтов и толщина слоя теплопроводящей пасты. Соблюдайте указанные нормы, и результаты тепловых расчетов будут совпадать с результатами испытаний. Также имейте в виду, что реальное значение теплового сопротивления Rth(s-a) может отличаться от расчетного, поскольку один и тот же радиатор, в зависимости от размеров, количества и взаимного расположения модулей на нем, может иметь различные тепловые сопротивления. При выборе теплоотвода внимательно изучайте его технические характеристики, обычно в них указывается зависимость тепловых сопротивлений от длины радиатора, числа установленных модулей, скорости потока воздуха и т. д.
  4. Вы все рассчитали и провели испытания разработанного вами устройства. Но почему-то реальная температура радиатора отличается от расчетной (измеренная обычно меньше). Прежде чем сомневаться в правильности своих расчетов, проверьте следующие моменты. Совпадает ли температура воздуха при испытаниях с используемой для расчета (анализ был проведен для Та = 40 °C)? В каком месте была определена температура? Расчетная точка измерения температуры радиатора находится на его поверхности непосредственно в месте теплового контакта с модулем. А температура в этой точке может сильно отличаться от измеренной (рис. 9). Не забывайте также, что расчет был произведен с использованием опции «Use maximum values», а значит, мы анализировали самый худший вариант. Попробуйте применить режим «Use typical values», разница в результатах может достигать 20 °C. Если и это не помогло, вероятно, тепловые сопротивления в расчете не совпадают с реальными значениями (см. предыдущий пункт).
Температура в различных точках радиатора
Рис. 9. Температура в различных точках радиатора
Рис. 10. Внешний вид сборки SKS 620F W3C 740 V22 (3 × SKKT 430 на радиаторе P16/300 + вентилятор SKF 16 B)

Предохранители

Как и любые другие полупроводники, тиристоры необходимо защищать от перегрузки и короткого замыкания. Для защиты тиристоров от повреждения токами короткого замыкания обычно используются быстродействующие предохранители. Для их правильного выбора в технических характеристиках тиристорного модуля приводится параметр I2t, значение которого обязательно должно быть больше соответствующего значения в технических характеристиках предохранителя. При этом следует проверить, пользуясь временно-токовыми зависимостями, выдержит ли предохранитель максимально возможные для нашего устройства перегрузки.

Выводы

Вышесказанное, конечно, не охватывает абсолютно все тонкости и детали выбора и расчета устройства плавного пуска. Мы не затронули вопросы, связанные с применением снабберных RC-цепей, необходимых для защиты тиристоров от перенапряжений и произвольного включения в случае превышения критического значения dU/dt, а также методику расчета скорости воздушного потока вентилятора, работающего на определенный охладитель и алгоритмы управления тиристорами.

В большинстве случаев разработчику, не искушенному в тонкостях разработки силового каскада, быстрее и выгоднее приобрести готовое решение. Компания SEMIKRON имеет богатый опыт не только в технологиях корпусирования силовых полупроводников, но и в производстве готовых сборок SEMISTACK.

Выбирая различные сборки и плату управления SKSS1 от SEMIKRON, вы получаете возможность в максимально сжатые сроки создать линейку устройств плавного пуска.

Клиенты компании SEMIKRON имеют богатый выбор стандартных силовых каскадов SEMISTACK (подробнее на сайте www.semikron.com), а девять центров разработки SEMIKRON и инженеры технической поддержки по всему миру всегда рады помочь клиенту в создании новых технических и конструктивных решений в области преобразовательной техники.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке