Частотно-регулируемый асинхронный электропривод Советский патент 1987 года по МПК H02P7/42 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулиро- вання частоты вран1ения механизмов, приводимых во вращение асинхронными коротко- замкнутыми двигателями.

Целью изобретения является упрощение н HOEibiHieiiHe быстродействия электропривода, а также уменьн1ение времени разгона.

На фиг. 1 ноказана функциональная схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода; на фиг. 2 -- функциональная схема электропривода с минимальным временем разгона; на фиг. 3 - вариант выно.лнения блока ог )аничения и-схемы совпадения; на фиг. 4 -- временные диаграммы, поясняющие работу электропривода.

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод содержит асинхронный электродвигатель 1, подключенный к выходу преобразователя 2 частоты с щиротно-им- пульсным регулированием напряжения, вы- по. 1ненного в виде последовательно соединенных вынрямителя 3, фильтра 4 и инвертора 5, датчик 6 тока, включенный на вход инвертора 5, задающий генератор 7, блок 8 задания алгоритма модуляции, кольцевой счетчик 9, логический блок 10, блок 11 формирования имиульсов, модулятор 12, блок 13 ограничения, блок 14 ограничения скольжения, блок 15 регулирования напряжения, узел 16 задания, первый компаратор 17, схему 18 совпадения, причем задающий i-еператор 7, б.кж 8 задания ал1 оритма моду. 1яцни, кольцевой счетчик 9, ,:1О1 нческий блок 10, блок 11 (()ормирования импу, 1ьсов, модулятор 12 и блок 13 ограничения образуют в совокупности систему 19 управления, выход узла 16 задания соединен с входами задаюн1.его reiiepai opa 7 и б. юка 15 регулирования напряжения, выход которого подк. почен к первому входу модулятора 12, выход задаюиим О геператора 7 соединен с входом б.чока 8 задания алгоритма модуляции, первый, второй и третий выходы которого подключены соответственно к входу кольцевогч) счетчика 9, второму входу модулятора 12 и первому блока 13 ограничения, выход модулятора 12 подк.чючен к вторым входам блока 13 ограничения и схемы 18 совпадения, выход которой через блок 14 ограничения ско, 1ьже11ия соединен с основтз1м входом узла 16 задания, выход кольцевого счетчика 9 нодк. почен к первому входу .логического блока 10, второй вход которого соединен с piepBbiM входом схемы 18 совнаде- ния н с выходом блока 13 ограничения, третий вход которого иодключен к выходу первого компаратора 17, выходы логического блока 10 соединены с входами блока 11 формирования имиульсов, выходы которого иодключены к унрав.чяющим входам инвертора 5, выход датчнка 6 тока подключен к первому входу первого компаратора 17, второй вход которого нредназначен для нод- к.тючения к ИСТОЧНИКУ сигнала задания.

1309247

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Электропривод е минимальным временем разгона (фиг. 2) дополнительно содержит УК-триггер 20, стабилизированный источник 21 питания и управ.чяемый ключевой элемент 22, а узел 16 задания снабжен дополнительным входом и выполнен в виде последовательно соединенных второго комнара- тора 23, riepBoi o 24 и второго 25 резисторов и инвертора 26, третьего резистора

27,один вывод которого подключен к входу интегратора 26. а другой вывод образует основной вход узла 16 задания, входы / и С //(-тригтера 20 нодключены соответственно к положительной и отрицательной клем.мам стабилизированного источника 21 питания, стробирующий вход С У/(-триггера 20 соединен с первым входом схемы 18 совпадения, установочный вход S //(-триггера 20 нодключен к выходу первого компаратора 17, а выход У/(-триггера 20 соединен с управляющим входом управляемого ключевого элемента 22, один вывод ко- Topoix) иодк.лючен к общей точке соединения первого 24 и второго 25 резисторов уз.ча 16 задания, образующей дополнительный вход узла 16 задания, а другой вывод унрав- ляемого ключевого э, 1емепта 22 подк, 1ючеп к тине заземления, выход инте1-ратора 26 узла 16 задания подключен к первому входу второго компаратора 23 и образует выход уз;1а 16 задания. П орой вход второго комнаратора 23 нредназначен для нодклю- чения к источнику онорного сигнала.

Блок 13 ограничения (фиг. 3) соде)жит два логических э.ле.мента 2ИЛИ-НЕ 28 и 29 и логический э.чемент 2И-НЕ 30, входы которого образуют второй и третий входы блока 13 ограничения, а выход логического элемента 2И-ИН 30 подк.чючен к первому входу второго логического элемента 2ИЛИ-НЕ 29, выход которого соединен с нервым входом первого .логического элемента 2ИЛИ-НЕ 28 и образует В1)1ход блока 13 ограничения, второй вход второго логического эле.меита 2ИЛИ-НЕ: 29 соединен с выходом первого логического элемента 2ИЛИ-НЕ

28,второй вход которого образует первый вход блока 13 ограничения.

Схема 18 совпадения (фиг . 3) еодержит два логических элемента 2ИЛИ-НЕ 31 и 32, входы первого .югнческого э.темен- та 3 обт единены и образуют второй вход схемы 18 совпадения, выход первого ,:IOI-H- ческого э,,темента 2ИЛИ-НЕ 31 подключен к первому входу второго ло1Л1чеекого элемента 2ИЛИ-НЕ:1 32, второй вход и выход которого образуют соответственно нервый вход и выход схемы 18 совпадения.

Частотно-регулируемый асинхронный электропривод работает следующим образом.

С выхода узла 16 задания на вход задающего г енератора 7 и вход блока 15 регулирования напряжения иоступает аналоговый сигна;| Ь ц, задания частоты (пропорциональный заданной частоте / электродвигателя 1). Задающий генератор 7 на своем выходе формирует систему импульсов Ui (фиг. 4) частотой /(:/ (где fei 6 - целое число), т. е. пропорциональной амплитуде входного сигнала t/ie задающего генератора 7, которая поступает на вход блока 8 задания алгоритма модуляции. На первом выходе блока 8 формируются узкие импульсы t/e-i шестикратной частоты 6/, на втором выходе - сигнал (/8-2 пилообразного опорного напряжения частотой ( - целое число, задающееся типом алгоритма модуляции), на третьем выходе - система узких импульсов t/8-з частотой 2/ Блок 15 регулирования напряжения формирует на своем выходе сигнал задания скважности модуляции выходного напряжения преобразователя 2 с учетом принятого закона частотного управления (т. е. соотношения между частотой и правой гармоникой выходного напряжения) электродвигателя 1 и с учетом компенсации колебаний напряжения питающей сети Uc- При сравнении на входах модулятора 12 сигнала /8-2 пилообразного опорного напряжения и аналогового сигнала задания скважности на выходе модулятора 12 формируется сигнал L/12 (фиг. 4), принимающий два значения (логические «1 .и «О) и задающий своей формой скважность щиротно-импуль- сной модуляции выходного напряжения инвертора 5 («1 соответствует проводящему состоянию инвертора, «О - непроводящему состоянию).

Рассмотрим работу электропривода в установившемся режиме (интервал времени t-i- 3, фиг. 4), которому соответствует неизменное значение сигнала задания частоты и(, узла 16 задания. При этом мгновенное значение фазного тока i l (контролируемое через амплитуду входного тока /е инвертора 5 датчиком 6 тока) не превышает уставки / токоограничения, выходной сигнал компаратора 17 равен «1. На выходе блока 13 ограничения формируется система импульсов (фиг. 3, триггер, выполненный на элементах 28 и 29, изменяет значение выходного сигнала L i3«0 - «1 в момент поступления импульса t/8-з с третьего выхода блока 8 задания алгоритма модуляции, а - в момент изменения фронта «1 сигнала модулятора 12). Посредством кольцевого счетчика 9, логического блока 10 и блока 11 формирования импульсов на выходе системы 19 управления формируются импульсы управления (/7ii-i) силовыми ключами инвертора 5, обеспечивающие щиротно-импульсное регулирование выходного напряжения преобразователя 2 с задаваемой скважностью. При равенстве входных сигналов () схемы 18 совпадения на ее выходе и на выходе блока 14 ограничения скольжения формируются нулевые сигналы, при этом блок 14 не оказывает влияния на работу

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

узла 16 задания. Электродвигатель 1 работает в установившемся режиме, питаемый выходным напряжением неизменной частоты и заданной скважности.

Рассмотрим работу электропривода в режиме разгона (фиг. 4, интерва.ч времени /I - /2), которому соответствует возрастание сигнала , задания частоты с темпом, определяемым требованиями к рабочему механизму. Если во время режима разгона темп изменения сигнала задания частоты L/16 достаточно высок и вызывает увеличение скольжения электродвигателя 1 до его критического значения, то возрастают мгновенные значения амплитуды фазного тока Мд электродвигателя 1 (а значит, и входного тока инвертора 5, контро.чируемого датчиком 6 тока), достигая уставки / токоограничения. При этом в момент сравнения сигнала Us датчика 6 входного тока инвертора 5 с допустимой уставкой компаратор 17 формирует на своем выходе сигнал «О, воздействуюп1,ий на вход блока 13 ограничения (второй из входов элемента 30, фиг. 3). В момент изменения фронта «0 сигнала компаратора 17 изменяется выходной сигна, L l.i блока 13 ограничения, что означает д. 1я . юшчес- кого блока 10 команду на прекращение проводимости силовых ключей инвертора 5. По указанной команде в инверторе 5 осуществляется нринудительпая коммутация (запирание) ранее проводящих си.човых ключей.

Указанный процесс коммутации происходит при допустимом из условия коммута- цио.нной устойчивости максимальном зпаче- нии фазного тока электродвигателя 1 (/и /). Очевидно, вследствие воздействия компаратора 17 на вход блока 13 ограничения, Ъчередное запирание (коммутация) сн. ювых ключей инвертора 5 происходит принудительно ранее на интервал времени в по отношению к планируемому моменту времени запирания, задаваемому изменением фронта «1 «О сигнала модулятора 12, что означает уменьшение выходного напряжения (действующего и.чн средпевыпрямлсн- ного значения) преобразователя 2 по сравнению с заданной скважностью от блока 15 регулирования напряжения. Схема 18 совпадения, осуществляя сравнение на своих входах сигнала L i2 модулятора 12 и сигнала Ui3 блока 13 ограничения, формирует на своем выходе сигнал U, равный «I, в течение интервала времени В рассогласования указанных сигналов. На выходе блока 14 ограничения скольжения (выполненном, например, в виде фильтрующего звена низкой ч а стоты) и м п ул ьс н ы е сигнал ы «I (д; 11 тел ь - ностью в) преобразуются в апал()1Ч) сигнал t/i-b пропорциона.чьный временному интервалу рассогласования заданной (сигнал ) и фактической (опреде.чясмой сигналом блока ограничения 13) скважноетей широтно-импульсной модуляции. Выходной сигнал блока 14 ограничения скольжения, воздействуя на вход узла 16 задания, изменяет (уменьшает) темп возрастания сигнала Uif, задания частоты нри разгоне, чтобы указанное рассогласование в сводилось к нулю. Это означает, что частот- пуск электродвигателя 1 в предложенном электроприводе осуществляется с заданным соотношением частоты и напряжения (основной гармоники), что обеспечивает высокое значение перегрузочной способности по моменту и хорошие энергетические показатели электродвигателя. Таким образом, осуществляется ограничение скольжения электродвигателя 1 ниже критического значения. В результате происходит частотный пуск электродвигателя 1 при максимально до- нустимых (из условия устойчивой коммутации в преобразователе) амплитудах фазного тока электродвигателя, а значит, при максимальном значении электромагнитного момента двигателя, что обеспечивает предельное быстродействие разгона электродвигателя.

Рассмотрим работу электропривода в ре- жи.ме токовой перегрузки, вызванной приложением момента статической нагрузки, превышающего значение критического момента электродвигателя 1. Приложение указанного момента статической нагрузки характеризуется увеличением скольжения электродвигателя 1 до его критического значения, а значит, увеличением амплитуды мгновенных значений фазного тока электродвигателя 1 до уставки токоограничения. При этом нутем воздействия компаратора 17 через блок 13 ограничения, логический блок 10 и блок 11 формирования импульсов на скважность проводящего состояния силовых ключей инвертора 5 осуществляется уменьшение выходного напряжения (основной гармоники действующего и средневыпрямленного значения) преобразователя 2 так, что амплитуда мгновенных значений фазного тока электродвигателя 1 не превышает допустимой амплитуды /. В результате воздействия выходного сигнала схемы 18 совпадения через блок 14 ограничения скольжения на вход узла 16 задания, одновременно снижается сигнал Ule задания частоты на выходе узла 16 задания так, что сохраняется нужное соотношение между частотой и напряжением (основной гармоникой) электродвигателя 1. Под действием момента статической нагрузки электродвигатель 1 тормозится до нулевой скорости, нри этом скольжение электродвигателя в процессе торможения не превышает его критического значения.

Рассмотрим работу устройства в режиме торможения. В случае варианта нереверсивного выполнения вынрямителя 3 преобразователя 2, темп уменьшения частоты при торможении узлом 16 задания зада0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ется так, что накопленная электродвигателем 1 кинетическая энергия возвращается и рассеивается в силовых элементах ин- ветора 5 и на силовом фильтре 4 без недопустимых перенапряжений на элементах инвертора 5. При этом торможение осу- ществ ляется со скольжением менее критического скольжения и его интенсивность определяется моментом статического сопротивления на валу электродвигателя и мощностью рассеивания энергии в активных элементах электродвигателя 1 и преобразователя 2.

Электропривод с сокращенным временем разгона (фиг. 2) работает следующим образом.

При питании маломощных (.менее 5- 10 кВт) и малоинерционных электродвигателей узел 16 задания формирует при разгоне высокие темпы увеличения частоты (более /ио.ч/0,1 с). В узле 16 задания (фиг. 2), второй компаратор 23 задает своим выходным сигна.чом через резисторы 24 и 25 темп изменения (увеличения) сигнала задания частоты , на выходе интегратора 26. Если в процессе увеличения частоты из-за увеличения скольжения электродвигателя до его критического значения мгновенные значения фазного тока электродвигателя 1 превысят уровень уставки / токоограничения, дополнительно по отношению к работе электропривода, описанной выще, происходит следуюнл.ее. Изменяется выходной сигнал компаратора 17, воздействующий на установочный вход 5 //(-триггера 20, выходной сигнал U2n // -триггера 20 равен «1, ключевой элемент

22открыт, на вход интегратора 26 через резистор 25 поступает нулевой сигнал. Одновременно с выхода блока 14 ограничения скольжения на основной вход узла 16 задания, образованный другим выводом резистора 27, поступает сигнал, вызывающий уменьшение выходного сигнала интегратора 26, являющегося выходным сигналом узла 16 задания. Благодаря этому ограничивается темп изменения (увеличения) частоть), а значит, скольжения электродвигателя 1 на таком уровне, чтобы разгон электродвигателя 1 в режиме токоограничения прои с- ходил при заданном соотношении частоты и основной гармоники выходного напряжения, а также при скольжениях менее критического значения. Благодаря отключению (посредство.м управляемого ключевого элемента 22) выходного сигнала компаратора

23от входа интегратора 26 повышается быстродействие по воздействию от выхода блока 14 ограничения скольжения на темп снижения выходного сигнала , узла 16 задания (интегратора 26). Это позволяет осу- ндествить эффективную, быстродействующую коррекцию темпа изменения сигнала задания частоты при разгоне, что особенно требуется и эффективно маломощшях и малоинерционных электродвигателей. Обратное изменение выходного сигнала L/2o //(-триггера 20 нроисходит в момент изменения фронта выходного сигнала «О блока 13 ограничения, поступающего на стробирующий вход С //(-триггера 20. При этом управляемый ключевой эле.мент 22 закрывается, иод действием выходного сигнала компаратора 23, поступающего через резисторы 24 и 25 на вход интегратора 26, происходит дальнейщее увеличение сигнала задания частоты узла 16 задания. Если за время очередного интервала проводящего состояния силовых ключей инвертора 5 ток снова достигнет уставки / токоограничения, изменяет вновь состояние на «1 выходной сигнал //(-триггера 20, и работа устройства повторяется. По окончании разгона до установившегося значения частоты амплитуда мгновенных значений фазного тока электродвигателя не превыи1ает уставки токоограничения, выходной сигнал Un) //(-триггера 20 устанавливается равным «О, управляемый ключевой элемент 22 закрыт, выходные сигналы схемы 18 совпадения и блок 14 ограничения скольжения равны нулю. Узел 16 задания задает установившееся значение выходной частоть 1, а блок 15 регулирования напряжения - установившееся значение выходного напряжения (с заданной скважностью), вследствие чего электродвигатель I переходит в установившийся режим работы с заданным значением частоты.

Изобретение позволяет упростить техническую реализацию электропри-вода, снизить его стоимость и габариты, увеличить быстродействие.

Упрощение достигается за счет использования одного датчика тока и применения простых в технической реализаци блоков: блока ограничения, схемы совпадения, компаратора.

Увеличение быстродействия, в частности сокращение времени разгона электродвигателя, достигается за счет обеспечения режима разгона с предельными максимальными значениями фазного тока электродвигателя (из условия коммутационной способности преобразователя ) при ограничении скольжения электродвигателя ниже критического значения и обеспечении заданного соотнощения между частотой и основной гермоникой напряжения электродвигателя.

Формула изобретения 1. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод, содержащий асинхронный электродвигатель, подключенный к выходу преобразователя частоты с широтно-импульс- ным регулированием напряжения, выполненный в виде последовательно соединенных выпрямителя, фильтра и инвертора, выход которого является выходом преобразователя частоты, а управляющие входы инвертора

10

подключены к выходам блока формирования импульсов, узел задания, подключенный выходом к входу задающего генератора и через блок регулирования напряжения к первому

5 входу модулятора, блок задания алгоритма модуляции, вход которого соединен с выходом задаю1цего генератора, riepBijiii lUjixoA блока задания алгоритма модуляции иодк. 1ю- чей к входу кольцевого счетчика, а второй выход блока задания алгоритма моду. ищии подключен к второму входу модулятора, блок ограничения ско. 1ьжения, выход которого подключен к основному входу узла за- - Дания, логический блок с двумя входами, первый вход которого подключен к выходу

15 кольцевого счетчика, а выходы соединены с входа.ми блока формирования импу.пьсов, датчик тока, отличающийся тем, что, с целью упрош,ения и повышения б1 1строде11ст- ВИЯ, в него введены блок ограниче1Ц1я с тремя входами, схема совпадения н пер20 вый компаратор, блок задания а. иоритма модуляции снабжен третьим выходом, датчик тока включен на вход инверто)а преобразователя частоты, первый, BTOpoii и третий входы блока ограничения подключены соот- 25 ветственно к третьему выходу б.чока задания а,пгоритма модуляции, к выходу модулятора и к выходу иервого компаратора, выход блока ограничения ио.тключеи к второму входу .югическо|-о б.пока и первому входу схемы совпадения, второй вход KOTc)|ioii

30 соединен с выходом модулятора, а выход схемы совпадения нодк,чючен к входу б. ю- ка ограничения ско, 1ьжения, первый вход иервого комиа;1атора нодк.чючен к выходу датчика тока, а второй вход первого компаратора предназначен д, 1Я нодключепня к

35 источнику сигна, 1а задания.

2. Электронри1к)д по н. , отличающийся тем, что, с целью сокращения времени разгона, введены , Л -триггер, стабилизированный источник питания и yпpaвляe Цэn l

4Q ключевой элемент, а зе, 1 задания сиабжеи дополнительным входом и выно.чпеп в виде последовательно соединенных второго компаратора, первого и второго резисторов и инвертора, третьего резистора, один В1)1вод которого подключен к входу инте1 ратора

45 узла задания, другой вывод третьего резистора узла задания образует осиовной вход узла задания, входы / и К /Л -триггера подключены соответственно к иоложите,:|ь- ной и отрицате, 1ыюй клеммам стабилизированного источннка нитаиня, стробирующиГ

вход с //(-триггера иодк.иоче к иервому входу схемы совпадения, устаиовочпьн вход S //(-триггера иодк.чючеп к выходч первого компаратора, а выход //(-григгера соединен с управляющим входом г/ранляемого

ее ключевого э.:|емспта, один выно;; которО1Ч) подключен к обн1ей точке соеди1 опия первого и второго резисторов y;-i.:;i .знания, образуюп1е11 дополните,1ьньп 1 вход y:;, :ui.i;i- ния, другой вывод управ, |яемого ключевого

элемента подключен к шине заземления, выход интегратора узла задания подк.тючен к первому входу второго компаратора и образует выход узла задания, второй вход второго компаратора предназначен для подключения к источнику опорного сигнала.

Изобретение относится к электронике и может быть использовано для регулирования частоты вращения механизмов, приводимых во вращение асинхронными коротко- замкнутыми двигателями. Целью изобретения является упрощение и повыщение быстродействия электропривода, а также умень- щение времени разгона. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод содержит асинхронный электродвигатель, подключенный к преобразователю частоты с щиротно-импульсным регулированием напряжения, состоящий из выпрямителя 3, фильтра 4 и инвертора 5 с датчиком 6 тока на входе, подключенным к одному входу комнарато- ра 17, узел 16 задания, блок 15 регулирования напряжения, блок 14 ограничения скольжения, схему 18 совпадения и систему 19 управления, состоян ую из задающего ге- нер атора 7, блока 8 задания алгоритма модулями, кольцевого счетчика 9, логического блока 10, блока 11 формирования импульсов, модулятора 12, блока 13 ограничения. Упро- достигается за счет использования лищь одного датчика тока и применения простых в техннчес.кой реализации блоков (блока ограничения, схемы совпадения, компаратора). Увеличение быстродействия в переходных режимах и сокращение времени разгона электродвигателя достигается путем обеспечения режимов работы с предельным максимальным значением фазного тока (из условия коммутационной способности преобразователя частоты при ограничении скольжения электродвигателя ниже критического) и путем обеспечения заданного со- отнощения между частотой и напряжением электродвигателя. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. i (Л со о со ьо

8-3

(18

-

иг.