Устройство для управления асинхронным электродвигателем

Устройство для управления асинхронным электродвигателем

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: в химической, горнодо- . бывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Сущность: в устройстве для управления асинхронным электродвигателем регулятор 8 частоты снабжен третьим входом и введены компаратор 13, узел 14 управления и управляемый ключ 15, включенные в цепь управления реактивным током. Это позволит обеспечить защиту устройства от провала напряжения в питающей сети, что снизит массу и габариты преобразователя частоты за счет уменьшения массы и габаритов его фильтра. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСКАТЕНТ СССР)

j ...,., --„, . - . ..

&„""."

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ :: -, /

К .АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ (57) Использование: в химической, горнодобывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Сущность: в устройстве для управления асинхронным электродвигателем регулятор 8 частоты снабжен третьим входом и введены компаратор 13. узел 14 управленйя и управляемый ключ 15,.включенные в цепь управления реактивным током. Это позволит обеспечить защиту устройства от провала напряжения в питающей сети, что снизит массу и габариты:преобразователя частоты за счет уменьшения массы и габаритов его фильтра. 3 ил. жения 4, снабженного клеммами 5 для подключения асинхронного двигателя, соединенных последовательно между собой, блок регулирования составляющих тока 6, подключенный своими выходами к управляющим входам преобразователя частоты 1, а входами — к выходу задатчика намагничивающей составляющей статорного тока 7 и к выходу регулятора частоты 8, связанного своими двумя входами, соответственно, с одним из выходов узла задания 9 и с выходом датчика частоты 10, датчик напряжения

11, соединенный своим входом с питающим входом преобразователя частоты 1, а выходом — со входом фильтрующего звена 12, компаратор 13, узел управления 14 и ключ

15. При этом выход компаратора 13 через узел управления 14 соединен с управляющим входом ключа 15, связанному своими двумя. выходами, соответственно, с третьим входом и с выходом регулятора частоты 8, первый вход компарато ра 13 соединен с вы(21) 4819779/07 (22) 16.03.90 (46) 23.07.93. Бюл. hb 27 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт силовых полупроводниковых устройств (72) А.В.Волков, А.С,Гринченко и А.Г.Лохматое (56) Авторское свидетельство СССР

М 879724, кл. Н 02 P 7/42.

Авторское свидетельство СССР

М 1246321, кл. Н 02 P 7/42, 1984.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-управляемым электроприводам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, горнодобывающей, металлургической и других. . Цель изобретения — уменьшение массы и габаритов устройства в условиях питания преобразователя частоты от нестабильности питающей сети, характеризующейся кратковременными глубокими провалами питающего напряжения;

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления асинхронным электродвигателем; на фиг.2 и 3 — примеры возможных вариантов технической реализации узла управления.

Функциональная схема на фиг.1 устройства для управления асинхронным электродвигателем содержит преобразователь частоты 1, состоящий из выпрямителя 2, LCфильтра 3 и автономного инвертора напря,; 5U „„1829102 À1 (si)s Н 02 р 7/42

1829102 ходом фильтрующего. звена 12, а второй вход — co вторым выходом узла задания 9.

Блок регулирования составляющих тока 6 выполнен, например (в качестве одного иэ возможных вариантов реализации), в виде 5 регулятора тока 16 и системы управления

: выпрямителем 17, соединенных последовательно, задак1щего генератора 18 и системы управления инвертором 19, .соединенных последовательно, при этом. первый из вхо- 10 дов (интегрирующий) задающего генератора 18 соединен с выходом датчика ЗДС . двигателя 20, подключенного своими входами к выходам датчиков напряхсения 21 и .тока 22 двигателя, первый вход регулятора 16 тока 16 соеди нен. с выходом датчика тока 22; а второй вход (опорный) задающего генератора 18 и второй вход регулятора тока 16 являются соответственно первыми и вторыми входами блока регулирования состав- 20 ляющих тока 6, в котором выходы систем управления 17, 19 выпрямителем и инвертором являются его выходами.

Узел управления 14 может быть выполнен, например, в виде согласующего усили- 25 теля или одновибратора, формирователя длительности импульса.

На фиг,2. приведен возможный вариант выполнения узла управления 14, который содержит транзисторный кл1оч 23, к коллек- 30 тору которого подключены конденсатор 24, вход логического элемента НЕ 25 и вывод резистора 26, второй вывод которого подсоединен к источнику питания+Оп, база транзистора 23 подсоединена к первым выводам ЗБ резисторов 27 и 28, при этом второй вывод . резистора 28, эмиттер транзистора 23 и второй вывод конденсатора 24 соединены вместе и подключены к общему выводу источника питания, второй вывод резистора 40

27 и выход логического элемента HE 25 яв-. ляются соответственно, входом и выходом узла. управления 14.

На фиг.З приведен. другой возможный вариант. выполнения узла управления. 14, 45 содержащий IK-триггер 29, подключенный своим С-входом через счетчик 30 к выходу генератора импульсов 31, I-входом — к обще му выводу источника питания, 8 и К-входами, соединенными вместе между собой,— о0 ко входу логического элемента НЕ 32, связанному своим выходом через RC-.öåïî÷êó

33. с R-входом счетчика 30, при этом S-вход и выход триггера 29 является. соответственно входом и выходом узла управления

14.

Предложенное устройство работает следующим образом: с первого выхода узла задания 9 поступает сигнал задания частоты (скорости) в на один из входов регулятора частоты 8, на другой вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте (скорости) а с выхода датчика частоты 10. В зависимости от знака и величины отклонения. своих входных сигна- . лов. регулятор частоты 8 формирует сигнал задания 4* активной составляющей статорного тока двигателя, поступающий на один иэ входов регулятора тока 15 блока регулирования составляющих тока 6. Эадатчик намагничивающей составляющей статорного тока 7 формирует сигнал задания I +* намаг,/ * ничивающей составляющей тока, поступающий на первый опорный вход задающего генератора 18, на второй интегрирующий вход которого поступает сигнал Е с выхода датчика ЗДС 20. Сигнал Е вычисляется датчиком ЗДС 20, например, иэ выражения: где 0 — выходной сигнал датчика напряжения 21, установленного на входе.инвертора

4;

l d — ток в звене постоянного тока преобразователя (пропорциональный в установившемся режиме активной составляющей

4 статорного тока двигателя);

R — активное сопротивление обмотки статора двигателя (возможны другие более точные формулы для вычисления ЗДС, использующие информацию о напряжении и токах в.статорных обмотках двигателя). Задающий генератор 18 формируе1 на своем выходе систему логических импульсов частотой:

fly = — Е/1 +, (2) которые поступают на вход системы управления инвертором 19. Посредством системы

19 импульсы распределяются, усиливаются, гальванически развязываются и подаются к управляющим электродам тиристоров автономного инвертора напряжения 4. Регулятором тока 15, на входы которого поступают сигналы задания (с выхода. регулятора частоты 8) и фактической обратной связи по активной составляющей статорного тока (с выхода датчика тока 22), осуществляется (воздействием через систему управления выпрямителя 6 на угол управления тиристоров управляемого выпрямителя 2) стабилизация фактического значения активной составляющей тока на уровне заданного значения. При этом в двигателе создаются заданные значения магнитного потока

Ф(определяемое отношением Е/f) и электромагнитного момента: p = =@la, двигатель разгоняется (тормозится) до заданного эна18 9102

10 а

20

40 (3) чения со" частоты (скорости), Описанный выше режим работы устройства соответствует нормальному напряжени а питающей сети, при этом на выходах компаратора 13 и узла управления 14:присутствуют полярности сигналов, обеспечивающие разомкнутое состояние ключа 15 (при котором этот ключ не оказывает влияние на функционирование регулятора частоты 8), Нри глубоком провале питающего напряжения (ниже 85 g, от номинального зна.чения напряжения) изменяются на противоположные полярности выходных сигналов компаратора 13 и схемы управления 14, открывается клепач 15, обнуляется выходной сигнал регулятора частоты 8, определяющий сигнал задания (ta* О) активной составляющей статорного тока двигателя. При этом на все времядействия кратковременного (как правила, длительностью менее 1,5 с) глубокого провала напряжения питающей сети посредством блока регулирования составляющих тока 6, воздействующего «а управляющие входы преобразователя 1, уменьшается значение выхаднаого тока электропривода с вели чины

1Я + lya да величины, равной (/ (Т,G, да тока холостого хода двигателя), Так как для общепромышленных серийных двигателей ток холостого хода составляет примерно

0,23-0.3 от номинального значения статорного тока двигателя, то мгновенные значения коммутируемого тока автономным инвертором напряжения 4 в.течение времени действия провала питающего напря>кения уменьшаются также приблизительна. в

3-4 раза по- сравнению со значениями, соответствующими номинальноглу действующему току.

При провале напряжения питающей сети наблюдается пропорциональное у леньшение напряжения на конденсаторах фильтра источника подзаряда, создающего напряжение на коммутирующих конденсаторах инвертора 4. Из-за указанного снижения напряжения на коммутирующих конденсаторах автономного инвертора 4 с емкостной коммутацией; происходит пропорциональное снижение коммутационной устойчивости преобразователя частоты I согласно формуле где !к, 1кн- текущее и номинальное значения максимально-допустимого;коммутируемого выходного тока инвертора;

О>, 0> — текущее и номинальное значения напряжения сети, питающей преобразователь частоты.

Таким образом, с учетом осуществляемого в предложенном способе снижения в

3 — 4 раза фактического коммутируемого тока инверторам 4 допускается устойчивая (безаварийная) коммутация тока преобразователем при глубоких провалах питающего напряжения (очевидно, примерно, до 25—

30$ — от номинального напряжения сети).

Время спадания выходного тока электропривода со значения, равного Йр2 + i,, до значения i> определяется быстродействием блока регулирования составляющих тока 6 и на практике составляет не более

20 — 40 мс, На время действия провала напря>кения питающей сети магнитный поток в двигателе сохраняется неизменным, равным своему предшествующему значению (т,к, сохраняется значение сигнала задания

i,+ намугничивающей составляющей статорйого тока), а электромагнитный момент двигателя спадает до нуля (т.к. уменьшается до нуля активная составляющая статорного тока двигателя). Имеющее место кратковременное(на время провала напряжения сети) снижение до нуля электромагнитного момента двигателя вызывает динамические провалы в скорости электропривода, величина которых зависит прямо пропорционально от длительности времени действия провала напряжения и от величины момент". статического сопротивления рабочего механизма, и обратно пропорционально— от приведенного махового момента инерции привода. Учитывая, что продолжительность кратковременных провалов питающего напряжения в сетях электроснабжения металлургических предприятий, коммунального и сельского хозяйства, как правило, не превышает 1,5 с и данные провалы нерегулярны и редки во времени, то для большинства общепромышленных механизмов

45 (насосы. конвейеры, рольганги и др.) динамические провалы скорости вполне допустимы по условиях технологических процессов, не снижая в целом производительнасти рабочих механизмов и качества выходной продукции.

Паоле окончания провала питающего напряжения при восстановлении нормального значения напряжения питающей сети на входах компаратора 13 сигнал, поступа55 ющий с датчика напряжения 11 через фильтрующее звено 12, становится больше опорного сигнала, поступающего со второго выхода узла задания 9. Нри этом изменяются нд"противоположные полярности выходных сигналов компаратора 13 и схемы

1829102 управления 14, закрывается ключ 15 и восстанавливается заданное значение актив,. ной составляющей 4* тока на выходе регулятора частоты;8, необходимое для последующего восстановления до заданного значения в" фактической частоты (скорости) в электропривода. При этом фильтрующее звено 12 осуществляет выделение сигнала, пропорционального основной гармонике питающего напряжения, из фактическогонапряжениясетипутем отфильтровывания иэ выходного. сигнала датчика напряжения 11 высокочастотной составляющей, наличие которой вызвано вносимыми искажениями на сеть (коммутационными провалами) от работы внешних тиристорных устройств, подключенных к данной питающей сети.

Наличие фильтрующего звена 12 в устройстве необязательно, если питающая сеть . содержит минимальные искажения (отличия от несинусоидальной формы).

Узел управления 14 формирует сигнал включения ключа I5 на время действия провала питающего напряжения, При этом в питающих сетях, характеризуемых четко выраженными провалами напряжения сети ниже опорного напряжения (например, ниже 85/, от.номинального значения напряжения сети) в течение всего времени длительности провала, узел 14 может выполняться в виде согласующего усилителя, формирующего необходимые уровни сигналов для управления открытым и закрытым состояниями ключа 15. В питающих сетях, характеризуемых формой провалов питаю" щего напряжения, при которой в течение длительности провала возможен высокочастотный "дребезг" питающего напря>кения вокруг уровня порогового сигнала, целесообразно выполнение. узла. управления 14. в . -виде одновибратора, формирователя длительности импульса (например, в виде схем, .приведенных на фиг.2 и.фиг.3}. В узле управления на фиг,2 с момента начала проаала питающего напряжения сети и поступления с выхода компаратора 13 сигнала лог. "1" на .резистор 27, открывается транзистор 23, разряжается конденсатор 24,.на выходеэлемента HE 25 формируется сигнал лог,"1". ключ 15 .. открывается; при восстановлении питающей сети до своего нормального значения с выхода компаратора 13 на резистор

27 поступает сигнал лог. "0", транзистор 23 закрывается, начинается заряд конденсатора 24 m источника+Ол через резистор 26, с задержкой m момента восстановления напряженйя, равной 40-50 мс; на выходе элемента 25 появляется сигнал лог. "0", задающий закрытое состояние ключа 15.

В узле управления на фиг.3 при начале провала питающего напряжения сети поступает сигнал лог. "1" на К- и S-входы IK-триггера 29 и вход логического. элемента HE 32, изменяется на лог. "1" выходной сигнал триггера 29; открывается .ключ 15; при восстановлении питающего напряжения до его нормального уровня на К и S-входы триггера

29 и вход элемента Н Е 32 поступает сигнал лог. "О.", путем воздействия узкого сигнала

10 лог, "1" через RC-цепочку 33 íà R-вход счетчика 30 осуществляется установка (сброс) выходных сигналов счетчика 30 в начальное состояние, после чего происходит измене15 ние выходных сигналов счетчика с приходом на его счетный вход каждого импульса генератора 31; через прохождение определенного количества импульсов (составляющее по времени не менее 40-50 мс) на С-вход

20 триггера поступает сигнал лог. "1" с выхода счетчика. 30, триггера 29 на лог. "0", осуществляется закрытие ключа 15. В узлах управления на фиг.2 и фиг.3 осуществляется временная задержка (не менее 40-50 мс) на расшунтирование ключа 15 после момента восстановления напряжения питающей сети, которая необходима для исключения влияния высокочастотного "дребезга" питающего напряжения aoKpyr опорного сигна на работу устройства, при этом исключаются. высокочастотные циклы шунтированиярасшунтирования регулятора частоты 8.

Величина времени 40 — 50 мс опреДелена ис35 .ходя из реального быстродействия отработки фактического значения выходного тока электропривода блоком регулирования.составляющих тока 6 и преобразователем частоты 1. Схема управления 14.может быть дополнена узлом контроля длительности времени провала питающего напряжения, который при индикации длительный (более 1,5 с) временных провалов напряжения будет запрещать (путем отключения) работу устройства от неисправной, питающей сети.

В автономных инверторах напряжения, выполненных на запираемых тиристорах, источник питания формирователей запирающих импульсов потребляет значительную мощность и составляет по массе и обьему

30-507 от массы и объема инвертора. И, как правило, из-за требований экономичности инвертора питание его источника осуществляется непосредственно от напряжения питающей сети. При глубоких просадках напряжения питающей сети аналогично инвертору с емкостной коммутацией происходит снижение напряжения на источнике питания формирователей запирающих имв

30 ла (равного 85;ь от номинального значения) 1829102

5

10 торые пропорциональны второй ступени установленной емкости коммутирующих

20 конденсаторов, то в предложенном устройстве по сравнению с известными техническими решениями достигается увеличение коэффициента полезного действия преобразователя частоты на

25 1

0;5 (1 — я)(1 — ) =(1 — 2,5)% (1 45)2

Формула изобретения

Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных выпрямителя, С-фильтра и автономного инвертора напряжения, снабженного клеммами для

Э5 подключения асинхронного двигателя, блок регулирования составляющих тока, подклю ченный выходами к управляющим входам преобразователя частоты, а входами — к выходу зздатчика намагничивающей составляющей статарнаго тока и к выходу регулятора частоты; соединенного двумя входами соот.ветственна с первйм выходом узла задания и с выходом датчика частоты, датчик напряженил, соединенный входом с питающим

5 входом преобразователя частоты, а выхоДам — с входом фильтрующего звена, о т л ич а ю щ е е с я тем, чта, с целью уменьшения массь. и габаритов в условиях питания преобразователя частоты ат нестабильной питающсй сети, регулятор частоты снабжен третьим входом и введены компаратор, узел управления, входом соединенный с выходом конденсатора, и управляемый ключ, соединенный управляющим входом с выходом

55 узла управления,.а двумя выходами — соответственно с третьим входом и с выходом регулятора частоты, первый вход компаратора соединен с выходом фильтрующего звена, а второй — с вторым выходам узла задания, пульсов, снижаются амплитуды тока управления на запирание тиристоров, а следовательно, уменьшается коммутационная способность автономного инвертора напряжения.

Например, в предложенном устройстве автономный инвертор напряжения рассчи-. тан на безаварийную коммутацию номинального значения тока при питающем напряжении преобразователя, равном и более 85% от номинального значения напряжения питающей сети. Тогда для обеспечения безаварийной работы при кратковременных (длительностью менее 1,5 с) провалах питающего напряжения до 70% 1 от номинального значения в известном устройстве должна быть увеличена емкость коммутирующих конденсаторов e (— )

=1,45 раза. либо в известном устройстве должна быть при глубоких провалах питающего напряжения значительна (примерна в

15 раз) увеличена емкость фильтра источника падзаряда коммутирующих конденсаторов.

Предложенное. устройство уменьшает установленную мощность автономного инвертора, массу и габариты электропривода в условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети.

Уменьшение установленной мощности автономного инвертора напряжения в условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети достигается путем принудительного снижения выходного тока электропривода до значения тока холостого хода двигателя на время действия глубокого провала напряжения питающей сети. При этом, несмотря на происходящее снижение коммутационной способности автономного инвертора напряжения из-за снижения величины питающего напряжения, в инвертаре обеспечивается устойчивая коммутация пониженного значения выходного тока электропривода, а. следовательно, обеспечивается безаварийная работа электропривода при кратковременных (менее 1,5 с) глубоких (ниже 85 от номинального значения) провалах напряжения питающей сети. Зто позволяет обеспечить функционирование электропривода при кратковременных глубоких прасадках питающего напряжения с меньшей установленной емкостью коммутирующих конденсаторов (или меньшей емкостью фильтра подзаряда коммутирующих конденсаторов), а следовательно, с уменьшенной установленной мощностью автономного инвертора напряжения преобразователя час.оты.

Т,к. масса и объем коммутирующих конденсаторов и конденсаторов фильтра источника подзаряда в современных автономных инверторах напряжения с емкостной коммутацией составляет 50 и более от массы и объема всего инвертора, или до 20% и более от массы и объема всего частотно-регулируемого электропривода малой и средней мощности, то уменьшение установленной мощности инвертора обеспечивэет устройству снижение массы и габаритов примерно на {1,45-1) 20% =10%.

С учетом того, что из всех электрических потерь в преобразователе частоты с емкостнай коммутацией (КПД ц преобразователя равно 0,9 — 0,96), примерно половина потерь приходится на коммутационные потери, ко1829102 о

Корректор M. Петрова. !

Редактор

Заказ 2479 Тираж Подписное

ВНИИПИ. Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

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

Составитель А. Волков

Техред M. Моргентал