компенсация пусковых токов двигателя

Компенсация пусковых токов электродвигателей.

Motor starting current compensation.

Активные фильтры эффективно компенсируют пусковые токи электродвигателей, сохраняя неизменным пусковой момент и время разгона привода.

Пусковые токи электродвигателей переменного тока (асинхронных и синхронных при асинхронном пуске) возникают в момент подачи напряжения и могут превышать в 5–7 раз номинальный ток. По мере разгона двигателя ток снижается, вплоть до достижения подсинхронной скорости. Пусковые токи перегружают источники электроэнергии, линии электропередачи, могут привести к срабатыванию защит и отключению коммутационных аппаратов.

При питании удалённых потребителей по протяжённым линиям пусковые токи вызывают глубокие провалы напряжения.

Провал напряжения на трансформаторах собственных нужд шагающего экскаватора при включении привода тяги; в результате провала напряжения главные приводы отключены защитой.

При электроснабжении от автономных источников пусковые токи создают опасность отключения генераторов.

Применение тиристорных устройств плавного пуска (УПП) лишь отчасти улучшает ситуацию, так как пусковой ток при любых условиях в 2,5 – 3 раза будет превышать номинальное значение.

Пусковой ток (черная линия) и напряжение (красная линия) при включении привода подруливающего устройства (1 МВт) с тиристорным УПП на судне.

На приведенном графике ток при пуске в 3 раза превышает номинальное значение (940 А); колебания напряжения на входе УПП – до 20% от номинального (690 В).

Особенность пускового тока электродвигателя состоит в том, что он носит в основном реактивный (индуктивный) характер.

Коэффициент мощности в цепи питания устройства плавного пуска асинхронного двигателя.

На приведенном графике коэффициент мощности в цепи питания УПП при пуске асинхронного двигателя изменяется от 0,1 до 0,8.

Активные фильтры прекрасно компенсируют реактивную мощность, и очень быстро. Это позволяет использовать их для компенсации пускового тока электродвигателей.

Фильтр подключается параллельно электродвигателю.

При работе в режиме динамической компенсации реактивной мощности фильтру нужно указать только величину коэффициента мощности, которую требуется поддерживать. В момент подачи питающего напряжения на электродвигатель активный фильтр мгновенно начинает генерировать реактивную мощность ёмкостного характера и предоставляет её для намагничивания стали электрической машины. Таким образом, обеспечивается необходимый для двигателя пусковой ток, при этом ток в сети возрастает незначительно (в зависимости от величины активной мощности при пуске).

Компенсация пускового тока асинхронного двигателя активным фильтром (осциллограмма токов).

красная линия – ток в обмотке статора асинхронного двигателя;

синяя линия – ток, потребляемый из сети.

Достоинство данного решения по сравнению с УПП в том, что двигатель разворачивается при номинальном напряжении. Это обеспечивает требуемый момент на валу и позволяет избежать затяжного пуска привода.

Предложения Инженерного центра «АРТ».

Полный комплекс работ по созданию систем компенсации пусковых токов электродвигателей на базе активных фильтров

Источник

Системы компенсации реактивной энергии. Централизованная компенсация пусковых токов мощных двигателей

Страницы работы

Фрагмент текста работы

электросеть слабая, большой ток ведет к существенному падению напряжения, которое не только мешает другим потребителям, но и уменьшает начальный крутящий момент самого источника проблемы и увеличивает время его включения.

Эквалайзер отслеживает реактивный ток, компенсирует его за один цикл и обеспечивает следующее:

— защищает распределительную сеть от перегрузок и падений напряжения, вызванных большим мгновенным потреблением реактивной энергии,

— обеспечивает централизованный запуск всех нагрузок, избегая использование индивидуальных пусковых устройств, требующихся для защиты распределительной сети и от падений напряжения,

— позволяет прямое подключение двигателей к сети, чтобы приобрести максимальный крутящий момент при старте. Эта особенность уникальна для системы Эквалайзер, внедрение которой, уменьшают ток, потребляемый двигателем с пусковыми устройствами всех типов, уменьшая, таким образом, пусковые крутящие моменты..

КОНТРОЛЕР

Контролер основан на быстром процессоре (DSP) и VLSI компоненте. Он включает графический жидкокристаллический (LCD) дисплей, аналоговую и цифровую плату, цепи управления электронных переключателей и цепи связи.

Спецификация

Размер LCD дисплея: 94х76 мм

Разрешение LCD дисплея: графический, 160х128 пикселей

Тип LCD дисплея: FSTN, LED с подсветкой

Источник питания: 115 или 230V, 50/60Hz

Частота: 45 до 65Hz

Потребление мощности: 10VA

Девять аналоговых каналов: Три канала тока для сети

Два канала тока для Эквалайзера

Четыре канала напряжения

Интерфейс связи :RS 485/422

Протокол связи : ELCOM (протокол Elspec), ModBus/RTV

Сигнализация: без напряжения N.O./N.C. (нормально-открытые или закрытые контакты реле), макс 2А @250VAC

Класс защиты : IP 40

Размеры : 144х144х138 мм.

Электромагнитная совместимость: EN 50081-2, EN 50082-2, EN 55011,EN 61000-4-2/3/4/5, EN 50204, ENV 50141

Безопасность : EN 61010-1, EN 60439-1, UL 508

Это программное обеспечение отображает состояние системы, также как и результаты измерений на многочисленных экранах, работающее в среде MS Windows. Все параметры электросети, включая гармоники до 63-ей, могут быть записаны с предопределенными интервалами. Продолжительность записей ограничивается только размером жесткого диска компьютера. Программное обеспечение может быть установлено на запись измеряемых параметров электросети по предопределённым триггерам (измеряемый параметр принимает определенное значение, например падение напряжения ниже определённой величины и/или всплеск тока выше определённого значения). Система записывает событие с предопределённой частотой до и после срабатывания триггера на протяжении определённого интервала времени. Программное обеспечение имеет Intranet и Internet поддержку.

МОДУЛЬ КОНДЕНСАТОРОВ/РЕАКТОРОВ

Эквалайзер включает реакторы, последовательно соединённые с коденсаторными группами,

Реакторы

Используемые реакторы имеют высокую точность в соответствии с их указанной номинальной величиной. Реакторы собраны на многослойном железном сердечнике с низкими потерями на гистерезис, с точно контролируемыми воздушными зазорами и медной обмоткой, имеет изоляцию класса H (180°С). Системы без реакторов (tuned-настроенных или detuned-несогласованных) оборудованы ограничительными реакторами, для ограничения бросков тока, которые могут появляться на конденсаторах в момент включения. Это позволяет избежать нанесение ущерба переключающим элементам, предохранителям и конденсаторам.

Detuned-несогласованные реакторы предотвращают резонанс путем смещения резонансной частоты конденсаторов ниже первой доминирующей гармоники (обычно 5-ая гармоника).

Tuned-согласованный реактор проектируется по заказу (для абсорбирования 5-ой и 7-ой гармоник).

Конденсаторы

Используются конденсаторы с низкими потерями (0,25W/kVAr) типа МКР в циллиндрическом аллюминиевом кожухе. МКР конденсатор – это конденсатор с металлизированной полипропиленовой прокладкой, самовосстанавливающийся и с предохранителем от перегрузок.

Конденсаторы для электросетей с напряжениями 400V и 480V имеют

Источник

Методы снижения пусковых токов импульсных источников питания

Александр Русу (г. Одесса)

Одна из главных проблем использования импульсных источников питания в светодиодных осветительных системах – ограничение пусковых токов, способных вывести эти системы из строя. Модульные решения, предусматриваюшие ограничение этих токов, предлагает компания MEAN WELL, а дискретные – для малосерийной продукции или индивидуальной разработки – сам автор статьи.

Маломощные импульсные источники питания (ИП) всегда пользовались стабильным спросом на рынке электроники – в системах промышленной автоматики, контроля доступа, пожарной безопасности и многих других. В последнее время этот список пополнился устройствами интернета вещей, умного дома и домашней автоматизации.

До недавнего времени использование ИП, независимо от того, являлись ли они универсальными блоками общего применения или разрабатывались для конкретного устройства, не вызывало особых технических проблем, но с началом эпохи светодиодного освещения ситуация изменилась не в лучшую сторону. Активное использование недорогих 12-вольтовых светодиодных лент увеличило число ИП в системах освещения, в результате чего стали появляться сбои в системах электроснабжения, вплоть до выхода оборудования из строя.

Суть проблемы заключается в значительной величине пускового тока (Inrush Current), возникающего в момент подключения блока питания к сети. Несмотря на то, что в каждом ИП приняты меры для его ограничения, все равно в большинстве устройств его величина может в десятки раз превышать ток, потребляемый при максимальной нагрузке. В результате одновременное включение нескольких ИП может приводить к срабатыванию защиты от короткого замыкания и вынуждает устанавливать автоматические выключатели либо с большим током, либо с большим временем срабатывания. Кроме того, при частом включении осветительных приборов резко уменьшается срок службы коммутирующих устройств – выключателей или реле, поскольку из-за чрезвычайно большого коммутируемого тока у них быстро прогорают контакты.

Хотя эта проблема не нова, до недавнего времени каких-либо готовых, а главное – доступных решений практически не было. Это и послужило поводом рассмотреть имеющиеся на рынке устройства для уменьшения пусковых токов, а также несколько доступных способов самостоятельного устранения этой проблемы.

Технические характеристики источников питания

На сегодняшний день создать ИП мощностью до 1 кВт не является сложной технической задачей. Доступность элементной базы и большое количество наработок в этой области позволяют в сжатые сроки наладить производство источников питания на основе известных компонентов и по известным рекомендациям. Неудивительно, что схемотехника, технические характеристики и внешний вид недорогих выпрямительных устройств как ведущих мировых производителей, так и малоизвестных компаний очень схожи.

Одними из недорогих источников питания, часто используемыми для питания светодиодных лент, являются модули серии LRS производства компании MEAN WELL (рисунок 1). При разработке данной линейки были использованы как последние достижения в области производства импульсных источников питания, так и самая современная элементная база, что позволило вывести ИП семейства LRS на современный технический уровень и обеспечить хорошее соотношение «цена/качество».

Рис. 1. Выпрямитель из семейства LRS

Ключевыми особенностями семейства LRS (таблица 1) являются возможность работы в универсальном диапазоне входных напряжений (85…264 B AC), компактный размер (высота профиля 1U – 30 мм), высокий КПД (до 91,2%) и малое потребление при отключении нагрузки (0,2…0,75 Вт). ИП семейства LRS имеют множество сертификатов, среди которых IEC/EN 60335-1 (PD3) и IEC/EN61558-1, 2-16. Все источники питания LRS проходят тестирование при 100% нагрузки и имеют трехлетнюю гарантию.

Таблица 1. Основные технические характеристики выпрямителей семейства LRS

Одной из специфических особенностей светодиодного освещения является возможность установки оборудования в специализированных электрических шкафах, поэтому наряду с ИП в перфорированных корпусах на практике может возникнуть реальная потребность в модулях с форм-фактором, рассчитанном на установку на DIN-рейку. В этом случае следует обратить внимание на семейство HDR производства компании MEAN WELL, выпускаемое в малогабаритных пластмассовых корпусах (рисунок 2).

Рис. 2. Внешний вид выпрямителей семейства HDR производства MEAN WELL

Несмотря на то, что выпрямители HDR изначально были спроектированы для использования в автоматизированных системах управления и имеют изоляцию с электрической прочностью вплоть до Class II, сфера их применения не ограничивается питанием только промышленных контроллеров. Благодаря широкому диапазону входных напряжений, хорошему уровню электробезопасности, высокому КПД и малому энергопотреблению при отключении нагрузки (не более 0,3 Вт) эти модули (таблица 2) можно с успехом применить в самых разнообразных приложениях, начиная от питания элементов сложных технологических линий и заканчивая тем же светодиодным освещением.

Таблица 2. Основные технические характеристики выпрямителей семейства HDR

Анализируя данные таблиц 1 и 2, можно увидеть, что у всех рассмотренных ИП пусковой ток в десятки раз превышает ток, потребляемый при максимальной нагрузке. Причем чем меньше мощность источника питания, тем больше это соотношение. Например, для самой маломощной из рассмотренных моделей – ИП HDR-15 пусковой ток (45 А), согласно технической документации, в 180 раз превышает максимальное значение во время работы (0,25 А). Для мощных выпрямителей это соотношение хоть и немного меньше, но все равно является достаточно большим. Абсолютный рекорд по величине пускового тока (70 А) принадлежит моделям HDR-150. При таком пусковом токе в момент включения устройства хоть и кратковременно, но будет потребляться около 15 кВт, что достаточно много даже для промышленного оборудования.

Ситуацию не спасает и введение в ИП корректора коэффициента мощности (ККМ). Если проанализировать технические характеристики модулей семейства RSP производства MEAN WELL (рисунок 3), отличающихся от рассмотренных выше выпрямителей LRS наличием активного корректора коэффициента мощности, то окажется, что их пусковые токи также превышают номинальные значения в 15…70 раз (таблица 3). Это, конечно, меньше, чем в модулях без ККМ, однако все равно много, даже несмотря на высокий коэффициент мощности (не менее 0,93).

Рис. 3. Выпрямитель семейства RSP производства MEAN WELL

Таблица 3. Основные технические характеристики выпрямителей семейства RSP

Причины появления пусковых токов

На сегодняшний день большинство ИП изготавливается по схеме с бестрансформаторным входом. Ключевыми элементами данной схемы являются выпрямитель, реализуемый чаще всего по мостовой схеме, и входной сглаживающий конденсатор (рисунок 4).

Рис. 4. Типовая схема входной цепи выпрямительного устройства с бестрансформаторным входом

До включения блока питания конденсатор C1 полностью разряжен и напряжение на нем равно нулю, в то время как в рабочем режиме оно достигает амплитудного значения напряжения сети, равного, при входном напряжении 220 В, около 310 В. Поскольку напряжение на конденсаторе измениться мгновенно не может, то в момент включения схемы обязательно должен произойти бросок тока из-за необходимости заряда конденсатора фильтра.

Максимальное значение пускового тока зависит не только от электрических характеристик элементов схемы, но и от момента включения ее в сеть. Наихудшим случаем считается подключение к сети в моменты, когда ее напряжение равно амплитудным значениям. В этом случае к диодам выпрямителя VD1…VD4 прикладывается прямое напряжение около 310 В, и их ток ограничивается лишь активными сопротивлениями кристаллов, соединительных проводников и внутренним последовательным сопротивлением конденсатора. Очевидно, что если не принимать никаких мер, то начальное значение пускового тока может превысить 100 А даже при небольшой емкости конденсатора C1.

Несмотря на то, что выпрямительные полупроводниковые диоды VD1…VD4 обычно выдерживают подобные перегрузки, столь высокое значение тока может значительно сократить срок их службы и вывести из строя. Для предотвращения этого пусковой ток даже в маломощных схемах обычно ограничивается с помощью резистора, сопротивление которого выбирается таким, чтобы ток через диоды выпрямителя в самом худшем случае не превышал максимально допустимое значение для данного режима работы.

Однако последовательное включение сопротивления приводит к увеличению потерь, величина которых может оказаться недопустимо большой. Для исключения этого в выпрямителях вместо резистора чаще всего устанавливают термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. В момент включения, когда сопротивление термистора велико, пусковой ток мал. После запуска источника питания ток, протекающий через термистор, разогревает его, что приводит к снижению его сопротивления и, как следствие, к уменьшению влияния на работу схемы. Несмотря на простоту, у такого способа есть один серьезный недостаток – при частой коммутации, например, когда ИП включается сразу после выключения, термистор не успевает остыть и ограничение пускового тока происходит не так эффективно.

Таким образом, в импульсных ИП, построенных по классическим схемам, пусковой ток ограничивается лишь на уровне, обеспечивающем безопасный режим работы выпрямительных диодов, поскольку использование иного решения приведет или к уменьшению КПД системы в целом, или к ее существенному удорожанию. Очевидно, что проблему пусковых токов в большинстве случаев необходимо решать другими способами.

Методы ограничения пусковых токов

При анализе схемотехники импульсных выпрямительных устройств с бестрансформаторным входом становится понятно, что одним из наилучших методов уменьшения пусковых токов является кратковременное увеличение сопротивления входной цепи в момент включения. Именно по такому пути пошла компания MEAN WELL, представив на рынке серию ограничителей пусковых токов семейства ICL (рисунок 5).

Рис. 5. Ограничители пусковых токов производства компании MEAN WELL

На сегодняшний день MEAN WELL предлагает своим клиентам четыре модели ограничителей с максимальным пусковым током 23 А (ICL-16R/L) и 48 А (ICL-28R/L), предназначенные для установки на DIN-рейку (модели с суффиксом R) или на шасси (модели с суффиксом L). Основными элементами модулей являются мощные токоограничивающие резисторы, реле и схема управления (рисунок 6). В момент включения контакты реле разомкнуты, и входной ток выпрямительных устройств протекает через резистор с сопротивлением R. Через некоторое время, определяемое схемой управления, на обмотку реле подается напряжение, и его контакты замыкают токоограничивающий резистор, подключая выпрямительные устройства непосредственно к сети.

Рис. 6. Структурная схема ограничителей ICL

Время срабатывания реле определяется схемой управления и составляет 300 мс для моделей ICL-16R/L и 150 мс для ICL-28R/L (таблица 4), что равно, соответственно, 15 и 7,5 периодам изменения напряжения сети с частотой 50 Гц. Этого времени вполне достаточного для заряда конденсаторов входных фильтров, поскольку в большинстве случаев напряжение на них достигает необходимой величины в течение 1…3 периодов (20…60 мс).

Таблица 4. Основные технические характеристики ограничителей ICL

Источник