Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения

Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 P 3/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ !

5," / ю i Ч;. ъ,ь .. Щ

I»

1 (21) 4845102/07 (22) 29.06.90 (46) 15.12.92. Бюл. М 46 (71) Сибирский завод комплектного электропривода "Сибстанкоэлектропривод" (72) Р.Д. Бай, В.К. Г робов, А.А. Ка не и, А.В.Фельдман и А.Н.Фомичев (73) А.А.Канеп (56) Авторское свидетельство СССР

М 783934, кл. Н 02 Р 3/14, 1980.

Патент США ЬЬ 443393, кл, Н 02 P 7/62, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1023597, кл. Н 02 P 3/22, 1983, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕК... ЖÄÄ 1782332 АЗ

ТРОДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ (57) Использование: регулирование электроприводов переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит асинхронный электродвигатель 1, звено постоянного тока 2, образованное выпрямителем 3 и LC-фильтром с конденсатором 4 на выходе, автономный инвертор 5, подключенный своими силовыми входами к конденсатору 4, а выходами к асинхронному электродвигателю .1, инвертор 6, .ведомый сетью, подключенный силовыми входами к конденсатору 4, а силовыми выходами к питающей сети переменного тока, первый компаратор 7, датчик 8 напряжения на конденсаторе, выход которого подключен к вхо1782332 ду первого компаратора 7. а вход — к конденсатору 4, второй компаратор 9, датчик 10 напряжения питающей сети, выход которого подключен ко входу второго компаратора 9, а вход — к питающей сети переменного тока, Датчик

11 частоты вращения, сумматор 12, блок умножения 13, блок управления 14 включены по следовательно, выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам автономного инвертора 5, задатчик 15 частоты вращения подключен своим выходом к сумматору 12, а управляющим входом к выходу второго компаратора

9, элемент И 16 подключен своими входами к выходам первого 7 и второго 9 компараторов, а выходом — ко второму входу блока умножения 13. 2 ил, Изобретение относится к области элск- Недостаток этой системы для регулиротротвхники, в частности, к регулируемым вания асинхронного двигателя заключается электроприводам переменного тока; в том, что она не обеспечивает управление

Известно устройство для управления торможением асинхронного двигателя при электродвигателем, содержащее звено по- 5 отключении питающей сети переменного стоянного тока, на вйходе которого включен тока. конденсатор, к выводам которого подключе- Наиболее близким по технической сущны входы ведомого сетью инвертора и авто- йости и выбранным в качестве прототипа намного инвертора с блоком управления, является устройство для автоматического выходы которых предназначены для под- 10 управлейия асинхронным двигателем в реключения соответственно к питающей сети жиме рекуперативного торможения, содерчерез трансформатор и электродвигателю, жащее звено постоянного гока, на выходе . датчик найряжения на конденсаторе выхо- которого включен конденсатор, к выходам дом подключенный ко входу компаратора, которого подключены входы ведомого сумматор, входы которого подключены к со- 15 сетью инвертора и автономного инвертора ответствующим выходам задатчика и датчи- с блоком управления, выходы которых предка частотй вращения ротора, а выход назначены для подключения соответственсумматорасоединенсовходом блокауправ- йо к питающей сети и электродвигателю, "ления,,, ..;, „....,,, датчики напряжения на конденсаторе и пиНедостаток известного устройства для 20 тающей сети, выходами подключенные к управления электродвигателем заключает- входам соответствующих компараторов, ся в том; что оно не обеспечивает управле- сумматор, входы которого подключены ксоние торможением электродвигателя при ответствующим входам задатчика и датчика отключении питающей сети переменного частоты вращения ротора, выход сумматора тока, т.к. нет условий для функционирова- 25 соединен со входом блока управления, выния инвертора ведомого сетью, с помощью: ход nepeoto компаратора через последовакотороговрежимерекуперативноготормо- тельно включенные элемент НЕ, триггер, женил запасенная кинетическая энергия первый элемент задержки и схему управлевозвращается в питающую сеть . : .: ния инвертором ведомым сетью соединен с

Известна система регулирования асин- 30 управляющими входами инвертора ведомохронного двигателя, содержащая Звено n0- ro сетью, выход второго компаратора через стоянного тока, на выходе которого включен . последовательно включенные триггер, втоконденсатор, K выводам которого подклю- рой элемент задержки, блок управления вычен вход автономного инвертора с блоком прямителем звена постоянного тока управления, выходы которого предназначе- 35 соединен с управляющими входами выпряны для подключения к электродвигателю, мителя. датчик напряжения на конденсаторе, выхо- . Недостаток такого устройства для автодом йодключенйога ко входу компаратора, матического управления асинхронным двисумматор, входы которого подключены к со- гателем в режиме торможения заключается ответствующим выходам задатчика и датчи- 40 в том, что оНО не обеспечивает управление ка частоты вращения ротора, входы торможением асинхронного двигателя при: ведомого сетью инвертора через ключи под-, отключении питающей сети переменного ключены к конденсатору, а выходы к питаю- тока, 8 процессе торможения кинетическая щей сети, ко входам блока управленйя энергия вращающихся масс асинхронного подключены выход сумматора и первого 45 двигателя и связанного с ним механизма компаратора, преобразуется с помощью автономного ин1782332 вертора и конденсатора в электрическую.

Преобразование энергии сопровождается возрастанием напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения, Если разность амплитудного значения напряжения в питающей сети и напряжения на конденсаторе превысит допустимую величину, то включается инвертор ведомый ceTblo и накопленная в конденсаторе энергия передается в сеть, напряжение на конденсаторе таким образом в процессе рекуперативного торможения поддерживается на определенном уровне, который является допустимым для всех элементов схемы. Если до начала процесса торможения илй во время процесса торможения происходит отключение питающей сети. то инвертор ведомый сетью не в состоянии функционировать, поэтому для . исключения увеличения напряжения на конденсаторе сверх допустимых пределов происходит блокировка .. управления автономным йнвертором и асинхронный двигатель тормозится за счет статических моментов сопротивления. Поэтому время торможения и тормозной путь становятся неопределенными, что является недопусти мым по правилам техники безопасности и условиям работы некоторых механизмов.

Таким образом, создание устройства автоматического управления асинхронным .. электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, обеспечивающего режим торможения в аварийных ситуациях, вызванных отключением сети или отказами инверторов ведомых сетью, является актуальной технической задачей.

Целью изобретения является повышеwe надежности путем обеспечения регулируемого . режима торможения при отключении питающей сети.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор. к выводам которого подключены входы ведомого сетью инвертора и автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю, датчики напряжения на конденсаторе и питающей сети, выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход умножения соединен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, выход блока умножения соединен со входом блока управления,.выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.

При наличии напряжения в питающей сети переменного тока на выходе элемента

И формируется сигнал такого уровня, при котором в блоке умножения реализуется функция умножения на плюс единицу. Поэтому в контуре, образованном автономным

15 инвертором, асинхронным электродвигателем, датчиком частоты вращения ротора, сумматором, блоком умножения и блоком управления реализуется отрицательная обратная связь по частоте. вращения. В этом

20 случае при рекуперативном торможении асинхронного электродвигателя возможен режим рекуперации энергии в питающую сеть переменного тока, который осуществляется за счет двухступенчатого преобразования энергии: кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора (с помощью автономного инвертора) и из энергии электрического поля койденсатора в энергию системы трехфазных токов и напряжений (с помощью инвертора ведомого

30 сетью). При отключении напряжения в питающей сети инвертор ведомый сетью не может функционйровать, поэтому вторая ступень преобразования неосуществима.

Вместо нее в предлагаемом устройстве ре35 ализуется преобразование эйергии электрического поля вновь в кинетическую.

Это достигается за счет того, что по сигналу второго компаратора задатчик частоты

40 вращения формирует задание нулевой частоты вращения, а выходные сигналы датчика напряжения на конденсаторе и датчика напряжения питающей сети с помощью первого и второго компараторов формируют на

45 выходе элемента И сигнал другого уровня, которым блок умножения переводится в режим умножения на минус единицу. В упомянутом контуре изменяется характер обратной связи (она становится положиникает двигательный режим и у асинхронного электродвигателя возрастает частота вращения ротора. По мере потребления электрической энергии, запасенной в

55 конденсаторе звена постоянного тока, напряжение на нем снижается, что фиксируется первым компаратором, передаточная функция вход-выход которого гистерезисного типа. Изменение состояния первого компаратора приведет к изменению выход50 тельной) и вместо режима торможения воз1782332

30

7 ного сигнала элемента И, которым в свою очередь с помощью блока умножения в контуре восстанавливается отрицательная обратная связь и вновь возникает генераторный режим, т.е. преобразование кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора. Если вэтом случае не произойдет полное преобразование всей накопленной кинетической энергии, т.е. частота вращенйя не достигнет нулевого значения, то при возрастании напряжения на конденсаторе до верхнего допустимого значения первый. компаратор вновь изменит свой выходной сигнал и возникнет двигательный ре>ким, Преобразование энергии электрического поля конденсатора в кинетическую энергию сопровождается потерями в автономном инверторе, асинхронном электродвигателе и механизме привода, поэтому значение частоты вращения в конце йнтервала с двигательным режимом будет меньше; чем значение:частоты вращения, с которого было начато торможение, или чем значение частоты в конце предыдущего интервала с двигательным режимом. Это обстоятельство свидетельствует о том, что в среднем происходит снижение частоты вращения и темп снижения частоты вращения. превосходит темп, когда частота вращения уменьшается только вследствие воздействия статического момента сойротивления, т,е. энергия кроме потерь в механизме привода. дополнительно расходуется на потери в электродвигателе и автономном инверторе, а также в блоке вторичного источника питания-, который должен быть подключен . своим. силовым входом к конденсатору звена постоянного тока, а выходами ко всем блокамустройства обеспечивая условия для их нормального функционирования.

Таким образом, дополнение известных признаков устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения новыми, расширяет его функциональные возможности за счет обеспечения режима торможения асинхронного электродвигателя при отключении питающей сети.

При анализе известных технйческих решений признаков, сходных с отличительными признаками заявленного объекта изобретения, не обнаружено.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения; на фиг. 2— вариант исполнения задатчика частоты вращения.

Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения содержит асинхронный электродвигатель 1, звено постоянного тока 2, образованное выпрямителем 3 и LC-фильтром с конденсато-. ром 4 на выходе, автономный инвертор 5, подключенный своими силовыми входами к конденсатору4, а выходами к асинхронному электродвигателю 1, инвертор 6 ведомый сетью. подключенный силовыми входами к конденсатору 4, а силовыми выходами к питающей сети переменного тока, первый компаратор 7, датчик 8 напряжения на конденсаторе, выход которого подключен ко входу первого компаратора 7, а вход — к конденсатору 4, второй компаратор 9; дат20 чик 10 напряжения питающей сети, выход которого подключен ко входу второго компаратора 9, а вход — к питающей сети переменного тока. Датчик 11 частоты вращения, сумматор 12, блок умножения 13„блок управления 14 включены последовательно, выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам автономного инвертора 5, задатчик 15 частоты вращения подключен своим выходом к сумматору 12, а управляющим входом ко второму компаратору 9, элемент И 16 подключен своими входами к выходам первого 7 и второго 9. компараторов, а выходом — ко второму входу блока умножения 13.

В качестве асинхронного электродвигателя 1 может быть использован асинхронный двигатель серии 4А, Выпрямйтель 3 может быть реализован по известной схеме Ларионова на неуправляемых вентилях, либо по такой >ке схеме на управляемых вентилях, если необходима быстродействующая защита от перегрузки, которая реализуется за счет искусственной коммутацйи вентилей в выпрямителе 3, 45 Г-образный LC-фильтр звена постоянного тока 2 образован индуктивностью и конденсатором 4 и может быть выполнен аналогично известному.

Автономный инвертор 5 целесообразно выполнить по схеме широтно-импульсного преобразователя.

Инвертор 6 ведомый сетью может быть выполнен по схеме трехфазного управляемого тиристорного инвертора, работающего на входную питающую сеть переменного тока, Датчик напряжения 8 может быть реализован по схеме дифференциального усилителя. Входами датчика напряжения являются входы 0с2 прямой и 0с1 инверс 1782332

10

25

40

50

55 ный дифференциального усилителя, а выход его является выходом датчика относительно нулевого потенциала схемы управления приводом.

В качестве компэратора 9 может быть использована серийно выпускаемая микросхема К554САЗ с соответствующей схемой включения. Компэратор обеспечивает сравнвние входного сигнала с опорным сигналом, определяющим уставку срабатывания компаратора.

Компаратор 7 может быть выполнен по схеме регенераторных компараторов на базе операционного усилителя. Напряжение верхнего и нижнего порога переключения определяются по формулам таблицы вышеуказанной литературы.

Датчик напряжения питающей сети 10 реализуется по схеме трехфазного или шестифазного выпрямителя с развязывающим согласующим трансформатором на входе, В качестве датчика 11 частоты вращения может быть использован тахогенератор

ТТ1-0,03-2-AT (технические условия

1АТ.569,050-ДУ). Сумматор 12 как элемент сравнения замкнутого по скорости электропривода обычно выполняют в виде ПИ-регулятора по схеме на базе операционного усилителя с подъемом в частной характеристике коэффициента передачи в области нижних частот.

В качестве блока умножения 13 должно быть применено устройство умножения аналогового сигнала на дискретный.

В качестве блока управления 14 можно использовать функциональный узел следящей системы электроприводэ, обеспечивающий необходимые преобразования сигналов. характерные для управления электродвигателем переменного тока

Задатчик 15 частоты вращения может быть выполнен по схеме приведенной на фиг, 2. При наличии напряжения в питающей сети реле 17 обесточено и выход потенциометра 18 подключен ко входу сумматора

12. В этом случае величина задающего сигнала определяется положением движка потенциометра 18 и напряжением источников питания 19 и 20, в качестве которых могут быть использованы аккумуляторы или выходы блока вторичных источников питания, которые обеспечивают собственные нужды всех элементов схемы устройства в целом.

При отключении сети второй компаратор 9 переключается, формирует на своем выходе сигнал лог. 1, которым включается реле 17, а его контакт подключает вход сумматора 12 к шине нулевого потенциала, что эквивалентно заданию нулевого значения частоты вращения.

В качестве элемента И 16 может быть использована микросхема типа К155.

Предложенное устройство управления в . режиме торможения работает.,следующим образом, Для перехода к режиму торможения задатчик 15 частоты вращения формирует на своем выходе нулевой потенциал, при этом на выходе сумматора 12 выходной сигнал изменяет свою величину и полярность. Так как исходное состояние компараторов 7 и 9 и выходной сигнал элемента И 16 остаются неизменными, то блок умножения 13 пере- дает входной сигнал на выход без изменения величины и полярности, а блоком управления 14 формируется система управляющих сигналов, переводящая асинхронный электродвигатель 1 и автономный инвертор 5 из двигательного режима работы в генераторный. При этом изменяется направление и величина потребляемого автономным инввртором 5 тока и начинается заряд конденсатора 4, сопровождающийся возрастанием напряжения на нем, Если в питающей сети переменного тока величина напряжения находится в допустимых пределах, то при определенной величине напряжения на конденсаторе 4 включится инвертор 6 ведомый сетью и создадутся условия для рекуперации энергии в питающую сеть.

Если в питающей сети напряжение уменьшится сверх допустимых пределов, то инвертор 6 ведомый сетью, не может нормально функционировать и он блокируется, а датчик 10 напряжения питающей сети при этом выдает сигнал, меньший уставки порога переключения второго компаратора 9, последний переключается и формирует на соответствующем входе элемента И 16 разрешающий уровень (лог, 1). Блокировка инвертора 6 ведомого сетью приводит к возрастанию напряжения на конденсаторе

4 до верхнего предельно допустимого значения, которое фиксируется первым компаратором 7 из-за соответствующего изменения выходного сигнала датчика 8 напряжения на конденсаторе 4, Выходной сигнал первого компаратора 8 формирует на втором входе элемента И 16 лог. 1 совпадение разрешающих уровней на входах элемента .И 16 изменяет его выходной сигнал, который, воздействуя на блок умножения 13, переводит его в режим умножения на минус единицу, что эквивалентно изменению полярности выходного сигнала блока умножения 13 без изменения величины этого сигнала, а в устройстве — переходу от генераторного режима к двигательному.

В двигательном режиме начинается про1782332 цесс потребления энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе 4, который будет сопровождаться его разрядом и уменьшением напряжения. При снижении напряжения и пропорционального ему выходного сигнала датчика 8 напряжения на конденсаторе 4 до порога обратного переключения, определенного гистерезисной характеристикой первого компаратора 7, на выходе первого компаратора 7 формируется лог. О. Лог. 0 будет сформирован на выходе элемента И 16 и, как следствие, будет вновь задан генераторный режим, т.к. блок умножения 13 не изменяет в этом случае выходной сигнал сумматора 12 ни по величине, ни по знаку, а в контуре асинхронный электродвигатель 1 — датчик 11 частоты вращения — сумматор 12 — блок умножения 13 — блок управления 14 — автономный инвертор 5 обратная связь по частоте вращения будет отрицательной, Если остаток запасенной кинетической энергии будет меньше энергии, затраченной на потери и энергии, которая будет запасена в конденсаторе 4 при напряжении на нем . меньшем верхнего значения предельно допустимого напряжения, то произойдет снижение частоты вращения до нулевого значения и торможение закончится. Если запасенная кинетическая энергия окажется больше, то напряжение на конденсаторе 4 будет возрастать и произойдет переход в двигательный режим, а затем в генераторный. Процессы перехода из генераторного режима в двигательный и вновь в генераторный будет происходить до полной остановки двигателя.

Режим торможения асинхронного двигателя возникает принудительно при отключении напряжения питающей сети. Второй компаратор 9 в этом случае формирует сигнал лог, 1, который воздействует на управляющий вход задатчика 15 частоты вращения и вызывает в нем формирование нулевой частоты вращения, по которому происходят описанные выше процессы.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения обладает большими функциональными возможностями за счет обеспечения режима торможения при отключении питающей сети, что достигается введением блока умножения и элемента И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соединен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, а выход блока умножения соединен со входом блока управления, выход второго компара.тора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения

Формула изобретения

Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к

20 предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю датчики напряжения на конденсаторе и пи30 тающей сети. выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, . сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения регулируемого режима торможения при отключении

35 питающей сети,. в него введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соеди40 нен с.выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента

И, входы которого подключены к выходам

45 первого и второго компараторов, выход блока умножения соединен с входом блока управления, выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.

50 выводам которого подключены входы ведо25 мого сетью инвертораи автономного инвертора с блоком управления, выходы которых

1782332

Составитель В.Гробов

Теехред М.Моргентал . Корректор И.Муска

Редактор

Заказ 4292 . Тираж - . . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-36, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород; ул.Гагарина, 101