Устройство для торможения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя Советский патент 1987 года по МПК H02P3/22 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-регулируемым электроприводам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, горнодобывающей, металлургической и других - для торможения частотно- регулируемых электроприводов без устройств рекуперации энергии в сеть.

Целью изобретения является повышение эффективности торможения частотно-регулируемого электропривода при уменьшении установленной емкости силового фильтра преобразователя частоты.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для торможения частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 2 - временные диаграммы работы.

Устройство для торможения частотно- регулируемого асинхронного электродвигателя 1 содержит инвертор 2, связанный своими входами через силовой фильтр 3 с выходом нереверсивного управляемого выпрямителя 4, а выходом - с асинхронным электродвигателем 1, широтно-импульсный прерыватель 5 тока, посредством которого тормозной резистор 6 подсоединен к входу инвертора 2. Вход широтно-импульсного прерывателя 5 соединен с выходом блока 7 регулирования. Устройство содержит также систему 8 управления выпрямителем 4 и систему 9 управления инвертором 2, снабженную выходами 10 и подключенную к за- датчику 11 частоты, импульсно-аналоговый преобразователь 12. При этом широтно-импульсный прерыватель 5 подсоединен вторым входом непосредственно, а третьим входом через импульсно-аналоговый преобразователь 12 к соответствующему выходу системы управления инвертором 9. Вход системы 8 управления выпрямителем 4 подключен к выходу блока 7 регулирования. Широтно-импульсный прерыватель 5 тока тормозного резистора 6 содержит последовательно подключенный силовой ключ 13, связанный свои.м управляющим входом через компаратор 14 с одним из входов генератора 15 пилообразного напряжения, при этом второй вход компаратора 14, первый и второй входы генератора 15 пилообразного напряжения являются соответственно первым, вторым и третьим входами широтно-импульсного прерывателя 5, а вторые выводы тормозного резистора 6 и силового ключа 13 являются выходами широтно-импульсного прерывателя 5 тока тормозного резистора 6.

На фиг. 2 приведены сравнительные временные диаграммы работы предлагаемого и известного устройств, где Ua, Л, - фазные напряжения и ток электродвигателя 1; Г, Г - диаграмма включения широтно-импульсного прерывателя 5 соответственно в предлагае мом и известном устройствах Не, i«, и (7с, /и - напряжение на конденсаторе С силового фильтра 3 и входной ток инвертора 2 соответственно в предлагаемом и известном

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

устройствах; (У, L/is - выходные сигналы соответственно, блока 7 регулирования и генератора 15 пилообразного напряжения; Ug - выходной сигнал системы 9 управления инвертором 2.

Устройство работает следующим образо.м.

Командой на режим торможения частотно-регулируемого электропривода является изменение на положительную полярность выходного сигнала блока 7 регулирования, в качестве выходного регулятора которого, могут использоваться регуляторы напряжения, тока ЭДС или частоты вращения, применяемые и унифицированных системах подчиненного регулирования. При изменении на положительную полярность выходного сигнала блока 7 регулирования нереверсивный выпрямитель 4 путем воздействия на систему 8 управления выпрямителем 4 переводится в инверторную зону углов управления, находится и удерживается в непроводящем состоянии. При этом задат- чик 11 частоты уменьшает выходную частоту инвертора до значения, при котором частота становится меньше частоты вращения ротора электродвигателя.

Накопленная приводом кинематическая энергия переводит возбужденный магнитным полем асинхронный электродвигатель 1 в генераторный режим. Вследствие этого генерируемая электродвигателем 1 электрическая энергия через основные тиристоры и диоды обратного моста инвертора 2 поступает в звено постоянного тока, где накапливается на конденсаторе С силового фильтра 3 и рассеивается в виде электрических потерь на тормозном резисторе 6, подключенном к входу инвертора посредством силового ключа 13.

С целью регулирования интенсивности темпа торможения электропривода (за счет воздействия на величину средней мощности рассеивания электрических потерь в тормозном резисторе 6) подключение тормозного резистора 6 осуществляется ujHpoT- но-импульсным способом с помощью широтно-импульсного прерывателя 5. В широтно- импульсном прерывателе 5 сов.мещаются функции 1пиротного и фазового управления включением тормозного резистора 6. На первый вход генератора 15 пилообразного напряжения поступают с второго выхода системы 9 управления узкие импульсы L/ g шестикратной (по отношению к выходной) частоты, совпадающие по времени с моментами включения основных тиристоров инвертора 2. Указанные импульсы (Уд синхронизируют работу генератора 15 пилообразного напряжения, в котором заряд интегрирующего элемента (в интервале времени между соседними импульсами Ug) осуществляется от аналогового сигнала, поступающего с выхода импульсно-аналогового преобразователя 12 и пропорционального выходной частоте электропривода. Выходной пилообразный

сигнал t/ir, генератора 15 своим началом и окончанием связан с моментами переключения основных тиристоров инвертора 2, а амнлитуда сигнала is остается неизменной при различных значениях выходной частоты. На компараторе 14 осуществляется сравнение амплитуд «опорной пилы f/is и управляющего сигнала (У, поступающего с выхода блока 7 регулирования/ При увеличении амплитуды выходного сигнала Uj блока 7 регулирования увеличивается скважность выходных импульсов Т компаратора 14, а следовательно, и скважность подключения (посредством силового ключа 13) тормозного резистора 6. Таким образом, осуществляется широтно-им- пульсное регулирование времени включения тормозного резистора 8, а значит средней мощности электрических потерь, рассеиваемых на тормозном резисторе.

Фазовое управление включением тормозного резистора заключается в том, что, изменяя свою длительность при широтно-импуль- сном регулировании, импульсы Г управления силовым ключом 13 щиротно-импульсного прерывателя 5, расширяясь вправо, сохраняют определенное фазовое положение /о фронта начала импульса (совпадающее с моментом времени включения основных тиристоров инвертора 2). В результате использования дополнительного фазового управления щиротно-импульсным прерывателем 5 в предлагаемом устройстве обеспечивается исключение неблагодприятной зоны включения тормозного резистора (в частности, интервала времени , фиг. 2). Это достигается посредством определенного фазового формирования импульсов управления, связанных передними фронтами с фронтами импульсов переключения основных тиристоров инвертора, и ограничения максимальной длительности указанных импульсов управления на уровне /о-/1. Последнее обеспечивается соответствующим ограничением максимального значения выходного сигнала U- блока 7 регулирования (на уровне Ui.

Задатчик 11 частоты в режиме инвер- торного торможения частотно-регулируемого электропривода (т. е. с рассеиванием ранее накопленной кинетической энергии привода на тормозном резисторе), воздействуя на систему 9 управления инвертором 2, задает такое текущее значение выходной частоты напряжения инвертора 2, при котором поддерживается на за данном (обычно равном номинальному значению) уровне магнитное по- токосцепление ср двигателя. В качестве примера технической реализации задатчика 11 частоты можно привести его выполнение в виде последовательно соединенных элементов: датчика ЭДС электродвигателя и задающего генератора, выход последнего является выходом задатчика частоты. В этом случае выходная частота / электропривода задается пропорционально фактической ЭДС

электродвигателя, что означает реализацию закона частотного управления: ЭДС// соп51 ф. Стабилизация в переходных режимах торможения магнитного возбуждения

электродвигателя на уровне номинального значения способствует развитию электродвигателем максимальных значений перегрузочного тормозного электромагнитного момента. За счет исключения неблагоприятной зоны подключения тормозного резистора (интервал времени /i-/2, фиг. 2), характеризующейся провалами электромагнитного тормозного момента и увеличением пульсаций напряжения на конденсаторе силового фильтра, стабилизируются мгновенные значения

5 тормозного электромагнитного момента двигателя и снижаются пульсации на конденсаторе силового фильтра в режиме торможения электропривода. В результате использования благоприятных зон подключения тормозного резистора (в периоде выход0 ного напряжения) и применения дополнительной стабилизации магнитного потоко- сцепления электродвигателя в режиме торможения (с помощью задатчика 11 частоты) в предлагаемом техническом решении обесr печиваются увеличение среднего значения тормозного момента электродвигателя и устойчивый (т. е. без срывов) режим инвер- торного торможения электропривода в широком диапазоне частот и нагрузок с нормируемым значением электромагнитного мо0 мента в функции в функции сигнала ун- равления.

Возможность нормирования среднего значения тормозного электромагнитного момента электродвигателя от сигнала управления (т. е. от выходного сигнала блока 7 регу5 лирования) при неизменной величине нанря- жения на силовом фильтре (или на входе инвертора) обусловлена повторяемостью и фазовой однозначностью расположения в .межкоммутационный период инвертора, равенствами амплитуды и сквазности тока, протекаюахего (в процессе возвращения энергии от двигателя через инвертор) в тормозной резистор. Вследствие нормирования амплитуды опорной пилы L/in генератора 15 заданно.му неизменному сигналу

5 управления U- соответствует неизменная скважность подключения тормозного резистора на различных выходных частотах инвертора. Однако вследствие изменения (с изменением выходной частоты) напряжения на силовом фильтре примерно пропорционально

0 с указанным напряжением изменяются амплитуда тока, протекающего через тормозной резистор, и, следовательно, среднее значение тормозного электромагнитного .момента, развиваемого электродвигателем.

При необходимости в предлагаемом устройстве нормирования среднего зиаче)1ия электромагнитного тормозного момента при изменении напряжения на входе инвертора в ц ироких пределах используется извест0

5

ное выполнение блока 7 регулирования (в частности, введением в него блока деления выходного сигнала Uj на сигнал, пропорциональный напряжению на входе инвертора, измеренный на силовом фильтре). Таким образом в предлагаемом устройстве может быть достигнута нормируемость среднего значения электромагнитного тормозного момента электродвигателя в функции сигнала управления независимо от изменения напряжения на входе инвертора и изменения частоты вращения двигателя.

В результате торможения частота вращения электродвигателя 1 достигает заданного установивщегося значения, при этом выходной сигнал блока 7 регулирования изменяет полярность на отрицательную, а задатчик 11 частоты задает неизменное значение новой установившейся частоты инвертора. При этом на входах компаратора 14 щиротно-импульсного прерывателя 5 амплитуда выходного сигнала И генератора 15 пилообразного напряжения постоянно превы- щает амплитуду выходного сигнала Ui блока 7 регулирования, вследствие чего выходной сигнал Т компаратора 14 равен нулю и силовой ключ 13 находится постоянно в

разомкнутом состоянии, т. е. тормозной 25 ния выходной частоты в предлагаемом устрезистор 6 отключен. Одновременно с изменением на отрицательную полярность выходного сигнала Uj блока 7 регулирования посредством воздействия через систему управления выпрямителем 4 нереверсивный выройстве обеспечивается нормирование среднего значения тормозного электромагнитного момента двигателя от сигнала управления. Осуществление стабилизации (на уровне номинального значения) магнитного потопрямитель 4 переводится в «выпрямитель- косцепления электродвигателя в режиме инную зону углом управления; что определяет токонроводящее состояние силовых тиристоров выпрямителя 4. В результате указанной работы через открытый выпрямитель 4 осуществляется необходимая токовая подпитка энергией конденсатора С силового 5 фильтра 3 и инвертора 2, вследствие чего электродвигатель 1 переводится и устанавливается в двигательном режиме работы при новом установившемся значении частоты

верторного торможения позволяет увеличить значения перегрузочного тормозного момента электропривода. Таким образом, вследствие обеспечения высоких значений перегрузочной способности, стабилизации, уменьшения пульсаций и нормирования от сигнала управления электромагнитного тормозного момента электродвигателя существенно улучшены динамические характеристики частотно-регулируемого электропривовращения. Предлагаемое техническое реще- 40 режиме торможения (в частности, соние обеспечивает как подтормаживание электропривода до любого значения пониженной частоты вращения, так и торможение до нулевой частоты вращения (т. е. останов) при реактивном характере момента статистического сопротивления на валу электродвигателя.

Предлагаемое техническое решение повышает эффективность торможения частотно- регулируемого электропривода при умень45

кращено время переходных режимов торможения на 20-30%) и достигнута устойчивость режима инверторного торможения электропривода в рабочем диапазоне частот и нагрузок.

В результате управления подключением тормозного резистора только в разрешенных временных зонах (достигаемого посредством фазового управления) и исключения «неблагоприятных зон подключения, характеришении установленной емкости силового гп зующихся высокими значениями пульсаций фильтра преобразователя частоты.напряжения на конденса-горе силового фильтра (из-за процесса разряда конденсатора фильтра одновременно на тормозной резистор и через инвертор на возбуждаемый электродвигатель), в предлагаемом устройст- мозного резистора, а также за счет осу- 55 уменьшена величина пульсаций на кон- цествения в режиме инверторного торможе-денсаторе силового фильтра. В частности,

ния стабилизации на уровне номинальногопри равной установленной емкости конден.значения магнитного потокосцепления элек-саторов известного и предлагаемого устУказанные преимущества в предлагаемом устройстве достигается за счет применения наряду с щиротно-импульсн э1м дополнительно фазового управления подключение.м тортродвигателя. В результате фазового управления подключением тормозного резистора исключаются неблагоприятные зоны подключения тормозного резистора, в которых осуществляется потребление энергии инвертором от силового фильтра для возбуждения электродвигателя, характеризующиеся высокими значениями пульсаций и колебаний электромагнитного тормозного момента двигателя. При этом разрещаются только

0 благоприятные зоны включения тормозного резистора, в которых осуществляется непосредственно возвращение электромагнитной энергии от электродвигателя через инвертор в звено постоянного тока, и рассеивание указанной энергии в виде электрических потерь

на тормозном резисторе 5. При управлении в данных разрещенных интервалах пульсации мгновенного значения тормозного электромагнитного момента двигателя существенно снижены. В результате определенного фазоQ вого формирования (т. е. фазовой синхронизации) импульсов включения тормозного резистора по отнощению к процессам коммутации в инверторе, а также вследствие стабилизации скважности указанных импульсов управления независи.мо от изменения выходной частоты в предлагаемом устройстве обеспечивается нормирование среднего значения тормозного электромагнитного момента двигателя от сигнала управления. Осуществление стабилизации (на уровне номинального значения) магнитного потокосцепления электродвигателя в режиме инверторного торможения позволяет увеличить значения перегрузочного тормозного момента электропривода. Таким образом, вследствие обеспечения высоких значений перегрузочной способности, стабилизации, уменьшения пульсаций и нормирования от сигнала управления электромагнитного тормозного момента электродвигателя существенно улучшены динамические характеристики частотно-регулируемого электроприво5

кращено время переходных режимов торможения на 20-30%) и достигнута устойчивость режима инверторного торможения электропривода в рабочем диапазоне частот и нагрузок.

В результате управления подключением тормозного резистора только в разрешенных временных зонах (достигаемого посредством фазового управления) и исключения «неблагоприятных зон подключения, характериройств в данном техническом решении амплитуда пульсаций на конденсаторе силового фильтра за счет стабилизации тока через конденсатор, ниже примерно на 30%. Выбор суммарной емкости электролитических конденсаторов силового фильтра преобразователя частоты осуществляется исходя из максимально допустимых (разрешенных правилами эксплуатации) пульсаций напряжения на них. Исходя из условия равных пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра в известном и предлагаемом устройствах, соответствующих длительной безаварийной работе преобразователя частоты, при уменьшении амплитуды пульсаций на конденсаторах фильтра уменьшается емкость фильтра пропорционально уменьшению амплитуды пульсаций на фильтре. Следовательно, установленная емкость силового фильтра в предлагаемом устройстве может быть уменьшена примерно на 30%. Это позволяет уменьшить стоимость, массу и габариты устройства в целом примерно на 4-5%.

Применение предлагаемого технического решения в качестве устройства торможения промышленных частотно-регулируемых электроприводов позволит за счет уменьшения времени торможения вследствие увеличения среднего значения тормозного электромагнитного момента повысить производи5

0

5

телыюсть рабочих механизмов, работающих в длительных тормозны.ч режимах при снижении стоимости и улушиения массо-габаритных показателей электроприводов.

Формула изобретения

Устройство для торможения частотно- регулируемого асинхронного электродвигателя, содержащее инвертор, выход которого предназначен для подключения к асинхронному электродвигателю, а вход инвертора связан через силовой фильтр с выходом нереверсивного управляемого выпрямите, 1я, систему управления инвертором, вход которой соединен с выходом задатчика частоты, систему управления выпрямителем, входом подключенную к выходу блока регулирования, тормозной резистор, подключенный к входу инвертора через Ц1иротно-имнульсный прерыватель тока, вход которого соединен с выходом блока регулирования, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности торможения при уменьшении установленной емкости силового фильтра, введен импульсно-аналоговый преобразователь, а широтно-импульснын прерыватель тока снабжен дополнительными входами, один из которых непосредственно, а другой через импульсно-аналоговый преобразователь подключены к соответствующему выходу системы управления инвертором.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в химической, горнодобываюи1ей, металлургической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является повыи1ение эффективности торможения при уменьшении установленной емкости си,1ового фильтра. Указанная цель достигается введением в устройство для торможения частотно-регу.чируе- .чюго асинхронного электродвигателя имнуль- сно-аналоговэго преобразователя (ИАН) 9 и выполнением нпфотно-импульсного прерывателя (ШИН) 5 тока с двумя дополнительными в.одам11. Один дополнительный вход ШИП b ь еносредственно, а другой его дополнительный вход через ИАП 9 подключены к соответствуюнгему выходу системы 8 управ,ления инвертором 2. Это нозво.чиет обеспечить наряду с широтно-импу.мьсным и фазовое управление подключением тормозного резистора 6 и стабилизацию в режиме инверторного торможения магнитного иото- косцепления. В результате исключаются неблагоприятные зоны включения тормозного резистора 6. 2 ил. ( Vuz.1 э/.5. СлЭ СО CD 00 сл о

-и- -и

U,,Uc

Vc.t/M

51

Uc--Uf

Составите,ль В. Тарасон

Редактор Л. ГратиллоТехред И. ВересКорректор Н. Король

Заказ 4242/53Тираж 659Подписное

ВНИИПИ Государственного ко.митета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4