УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ Российский патент 1997 года по МПК H02P7/42 

Предлагаемое устройство относится к электротехнике и может быть использовано в частотно-регулируемых электроприводах с асинхронными и синхронными электродвигателями.

Известно устройство для управления частотой вращения асинхронного электродвигателя, содержащее транзисторный преобразователь частоты (см. например, а. с. N 1534736 "Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя").

В вышеуказанном устройстве реализован частотно-токовый способ управления. При этом по отдельным каналам управления задаются величины активного и реактивного токов фаз электродвигателя. Данный электропривод имеет диапазон регулирования частоты вращения до 1:20 и хорошую перегрузочную способность, определяемую фактически лишь допустимым максимальным током транзисторов преобразователя частоты.

Недостатком данного устройства является сложность его эксплуатации, обусловленная необходимостью индивидуальной настройки активной и реактивной составляющих токов фаз и обратной связи по ЭДС для каждого электропривода как при вводе его в эксплуатацию, так и при смене электродвигателя.

Вместе с тем имеется ряд механизмов с меньшим требуемым диапазоном регулирования частоты вращения и меньшими требованиями по перегрузочной способности электропривода (например, механизмы с вентиляторным характером нагрузки), а также ряд многодвигательных механизмов, где требуется одновременное регулирование их частоты вращения. Во всех случаях становится целесообразным применение частотно-регулируемых электроприводов не с частотно-токовым управлением, а с регулированием напряжения (U) и частоты (f) питания электродвигателя по закону U/f const.

Преобразователи частоты с таким законом управления позволяют подключать к их выходу различное количество электродвигателей и не требует изменения заводских уставок регулируемых резисторов при замене электродвигателя, что упрощает наладку и эксплуатацию электроприводов.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя (см. например, транзисторный частотно-регулируемый электропривод фирмы SCHORCH "Su Transistorbanart" в журнале SHORCH mit Sfromrichtertechnik 1987, фиг.1), которое принято за прототип.

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя содержит силовой блок преобразователя частоты, асинхронный электродвигатель, датчик выпрямленного напряжения, датчики тока силовых ключей, задатчик интенсивности, широтно-импульсный модулятор, блок задания направления вращения, формирователь добавочного сигнала в области низких частот вращения, блок компенсации скольжения, регулятор максимального тока, датчик режима работы (двигательной, тормозной); сумматоры и выпрямитель, дроссель, транзисторные ключи и обратные диоды.

Задающий сигнал U_3f поступает на вход блока задания направления вращения и через выпрямитель и два сумматора, на входы которых подаются сигналы, пропорциональные току нагрузки (с выхода блока) и его превышению над допустимым (с выхода регулятора через датчик режима работы) на вход задатчика интенсивности.

Датчик режима работы определяет знак изменения сигнала на входе задатчика интенсивности в зависимости от режима работы электродвигателя (в двигательном режиме сигнал уменьшается, в тормозном увеличивается).

Широтно-импульсный модулятор, на вход которого подаются сигналы с задатчика интенсивности, с блока задания направления вращения и с формирователя, фор- мирует трехфазные сигналы задания напряжения и частоты фаз двигателя, а за- тем с помощью транзисторных ключей преобразователя частоты превращает их в силовое напряжение питания фаз асинхронного электродвигателя.

Данное устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя имеет следующие недостатки:
1. Уменьшенный по сравнению с возможным для данного класса электроприводов диапазон регулирования частоты вращения возникающей дополнительной ассиметрии по фазам в напряжении питания асинх- ронного электродвигателя, обусловленной работой широтно-импульсного модуля- тора, что приводит к асимметрии токов намагничивания, появлению обратной составляющей вращающегося магнитного потока, пульсациям момента и частоты вращения.

2. Ограниченная область применения из-за конструктивного выпол- нения устройства, где сигнал о превышении током фаз двигателя допустимого значения поступает с выхода регулятора через датчик режима работы и сумма- тор на вход задатчика интенсивности, включающего в себя интегратор. Поэтому устройство медленно реагирует на быстрое изменение тока двигателя при резком набросе нагрузки на валу и вследствие запаздывания может не ограничить мак- симальный ток на уровне допустимого, что приведет к срабатыванию защиты и отключению электропривода. Поэтому данное устройство для регулирования час- тоты вращения асинхронного электродвигателя может быть использовано лишь в электроприводах без резкопеременной нагрузки.

3. Излишняя сложность уст- ройства из-за наличия датчика режима работы, необходимого только в режиме ограничения максимального тока двигателя.

Технический результат достигается тем, что в устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя, содержащее силовой блок преобразователя частоты, выходные зажимы переменного тока которого предназначены для подключения к зажимам асинхронного электродвигателя, а входные к зажимам питающей сети, задатчик частоты вращения, задатчик интенсивности, выход которого соединен с входом блока формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения питания фаз асинхронного электродвигателя с широтно-импульсным модулятором на выходе, датчиком тока и напряжения, регулятор максимального тока, вход которого соединен с выходами датчиков тока, дополнительно введены блок управления силовыми ключами преобразователя частоты, выходом подключенный к управляющему блока силового преобразователя частоты, три датчика напряжения, резистор и ключ, входом подключенный к выходу регулятора максимального тока, упомянутые датчики тока и напряжения включены в цепи питания фаз асинхронного электродвигателя, выход задатчика частоты подключен ко входу задатчика интенсивности, выполненного с интегралом с конденсатором, параллельно которому через резистор подключен ключ, блок формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения фаз асинхронного электродвигателя снабжен установленным на его входе блоком формирования синусоидальных напряжений заданной амплитуды, сдвинутых между собой на 120 эл. градусов, широтно-импульсный модулятор составлен из генератора пилообразного напряжения, трех нуль-органов и трех сумматоров, первые входы которых подключены к выходам упомянутого блока формирования синусоидальных напряжений, вторые входы к выходу генератора пилообразного напряжения, третьи входы к выходам датчиков напряжения, а выходы к входам нуль-органов, выходы которых соединены с тремя входами блока управления силовыми ключами преобразователя частоты, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора максимального тока.

Сущность заявляемого устройства заключается в том, что за счет связи выхода регулятора максимального тока электродвигателя со входом введенного ключа, подключенного через резистор параллельно конденсатору интегратора задатчика интенсивности, и со входом блока управления силовыми ключами преобразователя частоты, а также связи третьих входов сумматоров широтно-импульсного модулятора м выходами датчика напряженный фаз электродвигателя расширяется область применения и диапазон регулирования.

Благодаря связи широтно-импульсного модулятора с выходами датчика напряжений фаз устройство строго отрабатывает форму задающего сигнала, уменьшая тем самым асимметрию напряжений фаз, вносимых широтно-импульсным преобразователем. При этом уменьшаются пульсации вращающего момента электродвигателя и повышается равномерность его вращения. А благодаря связи выхода регулятора максимального тока непосредственно со входом блока управления ключами повышается быстродействие устройства по этому каналу регулирования и электропривод может работать в условиях резко-переменной нагрузки.

При этом повторный разгон электродвигателя после снижения его скорости из-за превышения нагрузки допустимого значения благодаря разряду конденсатора интегратора задатчика интенсивности через введенный ключ происходит плавно на задатчике интенсивности. За счет организации оригинальных связей элементов достигается также упрощение.

Функциональная схема заявляемого устройства для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя представлена на фиг.1, а временные диаграммы, поясняющие его работу на фиг.2.

Обозначается на фиг. 1, 2: 1 асинхронный электродвигатель; 2 силовой блок преобразователя частоты; 3 задатчик частоты вращения; 4 задатчик интенсивности; 5 блок формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения питания фаз электродвигателя; 6 широтно-импульсный модулятор; 2 7,8,9 датчики тока; 10,11,12 датчики напряжения; 13 регулятор максимального тока; 14 блок управления силовыми ключами; 15 блок силовых ключей преобразователя частоты; 16 резистор; 17 ключ; 18 интегратор с конденсатором; 19 блок формирования синусоидальных напряжений; 20 - генератор пилообразного напряжения; 21, 22, 23 нуль-орган; 24,25,26 - сумматор; 27 силовой выпрямитель; 28 фильтрующий конденсатор; 29 ключ узла слива электроэнергии; 30 резистор узла слива электроэнергии; 31 - обратный диодный мост; 32 преобразователь аналог частота; 33 счетчик импульсов; 34,35 программируемые запоминающие устройства функций синуса и косинуса; 36,37 преобразователи код аналог; 38 преобразователь фаз; 39 - формирователь добавочного сигнала; 40 сумматор; 41 задатчик величины максимального тока; 42 выпрямитель токов фаз; 43 сумматор; 44 нуль-орган; 45 сумматор; 46 нуль-орган, U₁₈, U₄₂, U₄₄ форма сигналов на выходе соответствующих элементов устройства; U_c, U₁, U₂ зажимы источников напряжения питающей сети и источников питания цепей управления.

Предлагаемое устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя 1 содержит силовой блок 2 преобразователя частоты, выходные зажимы переменного тока которого предназначены для подключения к зажимам асинхронного электродвигателя 1, а входные к зажимам питающей сети, задатчик 3 частоты вращения, задатчик 4 интенсивности, выход которого соединен с входом блока 5 формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения питания фаз асинхронного электродвигателя 1 с широтно-импульсным модулятором 6 на выходе, датчики тока 7,8,9 и напряжения 10,11,12, регулятор максимального тока 13, вход которого соединен с выходами датчиков тока 7,8,9, блок 14 управления силовыми ключами 15 преобразователя частоты, выходом подключенный к управляющему входу блока 2 силового преобразователя частоты, резистор 16 и ключ 17, входом подключенный к выходу регулятора 13 максимального тока, датчики 7,8,9 тока и 10,11, 12 напряжения включены в цепи питания фаз асинхронного электродвигателя 1, выход задатчика 3 частоты подключен ко входу задатчика 4 интенсивности, выполненного с интегратором 18 с конденсатором, параллельно которому через резистор 16 подключен ключ 17, блок 5 формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения фаз асинхронного электродвигателя 1 снабжен установленным на его входе блоком 19 формирования синусоидальных напряжений заданной амплитуды, сдвинутых между собой на 120 эл.градусов, широтно-импульсный модулятор 6 составлен из генератора 20 пилообразного напряжения, трех нуль-органов 21, 22, 23 и трех сумматоров 24, 25, 26, первые входы которых подключены к выходам упомянутого блока 19 формирования синусоидальных напряжений, вторые входы к выходу генератора 20 пилообразного напряжения, третьи входы к выходам датчиков 10,11,12 напряжения, а выходы к входам нуль-органов 21,22,23, выходы которых соединены с тремя входами блока 14 управления силовыми ключами преобразователя частоты, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора 13 максимального тока.

Силовой блок 2 преобразователя частоты содержит силовой выпрямитель 27, фильтрующий конденсатор 28, ключ 29 и резистор 30 узла слива электроэнергии торможения электродвигателя, обратный диодный мост 31, блок силовых ключей 15.

Блок 19 формирования сигнала задания амплитуды и частоты напряжения питания фаз электродвигателя содержит преобразователь 32 аналог-частота, счетчик импульсов 33, программируемые запоминающие устройства 34, 35 функций синуса и косинуса, преобразователи 36, 37 код-аналог, преобразователь фаз 38 (двух в три), формирователь 39 добавочного сигнала в области низких частот вращения для компенсации уменьшения магнитного потока из-за падения напряжения в активном сопротивлении фаз от тока нагрузки, сумматор 410.

Регулятор 13 максимального тока электродвигателя содержит задатчик 41 величины максимального тока, выпрямитель 42 токов фаз, сумматор 43, нуль-орган 44.

Задатчик 18 интенсивности содержит сумматор 45, нуль-орган 46 и интегратор 19.

Работает устройство следующим образом.

В исходном состоянии схемы напряжения задания частоты вращения с выхода блока 3 равно нулю. Нулевой сигнал имеет и на выходах задатчика интенсивности 4 и преобразователя 32 аналог частоты. При этом на выходе формирователя 39 имеем максимальный сигнал, поступающий через сумматор 40 на входы преобразователей 36, 37 код-аналог, и на их выходах появляются аналоговые сигналы нулевой частоты, уровень которых зависит от состояния счетчика 33 импульсов. Аналогичным образом от состояния счетчика 33 импульсов и уровня сигнала с выхода формирователя 39 будут зависеть и сигналы нулевой частоты на выходах преобразователя 38 фаз, поступающие на входы сумматоров 24, 25, 26, смещая в ту или иную сторону средний уровень сигнала с выхода генератора 20 пилообразного напряжения и меняя тем самым длительность включенного и отключенного состояний нуль-органов 21, 22, 23, переключающихся с частотой генератора 20.

Аналогичным образом изменяются и длительности сигналов управления на входе блока 15 ключей, их открытое и закрытое состояние, значит, и длительность приложенного к фазам двигателя напряжения с выпрямителя 27. Среднее значение напряжения фаз двигателя через датчики 10, 11, 12 напряжения поступает на третьи входы сумматоров 24, 25, 26, действуя встречно с сигналами с выхода преобразователя 38 фаз (отрицательная обратная связь по напряжению двигателя) и поддерживая таким образом напряжение на выходе преобразователя частоты на заданном уровне.

При появлении сигнала на выходе задатчика 3 частоты вращения, появляется сигнал и на выходе задатчика 4 интенсивности, который преобразуется в блоке 32 аналог-частота в последовательность прямоугольных импульсов, поступающих на вход двоичного счетчика 33.

Код выходных сигналов счетчика 33 преобразуется в программируемых запоминающих устройствах 34, 35 в код функций синуса и косинуса, а затем в преобразователях 36, 37 код-аналог в двухфазные синусоидальные сигналы (сдвинутые на 90 эл.градусов), амплитудой, пропорциональной сигналу на выходе сумматора 40, и частотой, пропорциональной сигналу на выходе задатчика 4 интенсивности.

В преобразователе фаз 38 двухфазные синусоидальные сигналы преобразуются в трехфазные синусоидальные сигналы, сдвинутые на 120 эл.градусов, которые поступают на вход широтно-импульсного модулятора 6 и преобразуются блоком 15 силовых ключей в последовательность импульсов напряжения на зажимах асинхронного двигателя со средним значением, изменяющимся по синусоидальному закону. При этом величина этого напряжения поддерживается на таком уровне, при котором сигналы на выходе датчиков 10, 11, 12 напряжений фаз равны сигналам на выходе блока 19.

При нагрузке на валу электродвигателя меньше допустимой выпрямленный сигнал с датчиков тока фаз 7, 8, 9 на выходе выпрямителя 42 меньше сигнала с выхода задатчика 41 максимального тока двигателя и нуль-орган 44 находится в положении, при котором сигнал на его выходе отсутствует и нуль-орган не оказывает никакого влияния на работу блока 14 управления силовыми ключами преобразователя частоты и на состояние нормально разомкнутого ключа 17, подключенного через резистор 16 параллельно конденсатору 18 интегратора задатчика интенсивности 4.

При возрастании нагрузки на валу электродвигателя сигнал на выходе выпрямителя 42 превышает сигнал с выхода задатчика 41 и полярность сигнала на выходе сумматора 43 и входе нуль-органа 44 меняется. Нуль-орган 44 переключается, включая ключ 17 и воздействуя на блок 14 управления ключами таким образом, чтобы открывающие импульсы с выхода блока 14 были сняты и все силовые ключи блока 15 закрыты. Ток фаз двигателя в этом режиме протекает через обратный диодный мост 31 встречно напряжению конденсатора 28, подзаряжая его и уменьшаясь по величине. Одновременно начинает разряжаться через резистор 16 конденсатор интегратора 18 задатчика интенсивности 4 и сигнал на его выходе также уменьшается. Уменьшается и частота вращения вала электродвигателя.

При снижении тока фаз двигателя меньше максимально-допустимого сигнал на выходе выпрямителя вновь становится меньше сигнала с выхода задатчика 41 и нуль- орган 414 возвращается в исходное состояние, открывая ключ 17 и разрешая работу блока 14 управления силовыми ключами преобразователя частоты и самих силовых ключей.

В цепи регулирования максимального тока двигателя отсутствуют инерционные элементы, и отработка его заданного максимального значения в устройстве происходит практически безынерционно, причем одинаковым образом как для двигательного, так и тормозного режимов.

Поскольку в процессе отработки задания максимального тока двигателя происходит включение ключа 17 и частичный разряд конденсатора интегратора 18 задатчика интенсивности, то последующий разгон электродвигателя до прежней частоты вращения при сбросе нагрузки выполняется на задатчике интенсивности, что предотвращает разбаланс соотношения между напряжением и частотой двигателя, и разгон осуществляется при оптимальном моменте.

Таким образом, предлагаемое устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя проще прототипа (не требуется датчик режима работы), обеспечивает по сравнению с прототипом практически безынерционную отработку задания максимального тока электродвигателя при набросе нагрузки, а также обеспечивает точную отработку заданной формы напряжения фаз электродвигателя, снижая тем самым его асимметрию по фазам, а значит, и уменьшая пульсации момента и частоты вращения электродвигателя в области малых частот вращения.

Использование: в частотно-регулируемом электроприводе с асинхронными и синхронными электродвигателями. Сущность: в устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя блок управления силовыми ключами преобразователя частоты, датчики напряжения, резистор и ключ. В результате введения упомянутых элементов и указанных в изобретении из связей упрощается схема, обеспечивается безынерционность отработки задания максимального тока электродвигателя при набросе нагрузки и повышается точность обработки заданной формы напряжения фаз электродвигателя. 2 ил.

Устройство для регулирования частоты вращения асинхронного электродвигателя, содержащее силовой блок преобразователя частоты, выходные зажимы переменного тока которого предназначены для подключения к зажимам асинхронного электродвигателя, а входные к зажимам питающей сети, задатчик частоты вращения, задатчик интенсивности, выход которого соединен с входом блока формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения питания фаз асинхронного электродвигателя с широтно-импульсным модулятором на выходе, датчики тока и напряжения, регулятор максимального тока, вход которого соединен с выходами датчиков тока, отличающееся тем, что введены блок управления силовыми ключами преобразователя частоты, выходом подключенный к управляющему входу блока силового преобразователя частоты, два датчика напряжения, резистор и ключ, входом подключенный к выходу регулятора максимального тока, упомянутые датчики тока и напряжения включены в цепи питания фаз асинхронного электродвигателя, выход задатчика частоты подключен к входу задатчика интенсивности, выполненного с интегратором с конденсатором, параллельно которому через резистор подключен ключ, блок формирования сигналов задания амплитуды и частоты напряжения фаз асинхронного электродвигателя снабжен установленным на его входе блоком формирования синусоидальных напряжений заданной амплитуды, сдвинутых между собой на 120 эл.град. широтно-импульсный модулятор составлен из генератора пилообразного напряжения, трех нуль-органом и трех сумматоров, первые входы которых подключены к выходам упомянутого блока формирования синусоидальных напряжений, вторые входы к выходу генератора пилообразного напряжения, третьи входы к выходам датчиков напряжения, а выходы к входам нуль-органов, выходы которых соединены с тремя входами блока управления силовыми ключами преобразователя частоты, четвертый вход которого подключен к выходу регулятора максимального тока.