Способ подключения асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты Советский патент 1991 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам подключения асинхронного электродвигателя к преобразователю частоты, и может применяться в частот- но-регулируемых электроприводах с резервированием преобразователя частоты, например, насосов, вентиляторов, выемочных машин, конвейеров и т.д.

Цель изобретения - повышение надежности путем снижения переходных моментов и тока.

На фиг. 1 представлено устройство, в котором реализован предлагаемый способ; на фиг. 2 -диаграммы выбега электродвигателя; на фиг. 3 - задатчик интенсивности.

Устройство включает основной преобразователь 1 частоты, подключенный к основной сети 2, резервный преобразователь 3 частоты, подключенный к резервной сети 4, причем основной 1 и резервный 3 преобразователи частоты соответственно через первый 5 и второй б ключи подключены к асинхронному электродвигателю 7.

Кроме того, устройство включает датчик 8 аварийного состояния основного преобразователя частоты, импульсный датчик 9 частоты вращения вектора ЭДГ асинхронного электродвигателя 7, систему 10 управления частотой резервного преобразооателя 3 частоты, включающую последовательно соединенные кольцевую схему 11 и регулируемый генератор 12 частоты, первый сумматор 13, задатчик 14 интенсивности, блок 15 задания частоты вращения асинхронного электродвигателя 7, блок 16 управления преобразователь 17 частоты импульсов - напряжение, детектор 18 различия фаз, переключатели 19 и 20, регулятор 21 и инвертор 22 с узлом регулируемого ограничения выходного сигнала 23 в цепи

09

СО

К)

ю

обратной связи регулятора 21, третий 24 и четвертый 25 ключи, первый 26 и второй 27 пороговые элементы, входы которых подключены к выходу второго сумматора 28, а выходы подключены соответственно к ключам 24 и 25 через логические схемы И 29 и 30, К входу второго сумматора 28 присоединены выходы блока 15 задания и преобразователя 17, вход которого присоединен к выходу импульсного датчика 9 частоты. Блок 15 задания непосредственно присоединен к основному преобразователю 1 частоты и через переключатель 19 присоединен к входу задатчика 14 интенсивности, выход которого присоединен к первому входу первого сумматора 13 и к входу узла 23 регулируемого ограничения. Второй вход сумматора 13 присоединен к объединенному выходу третьего и четвертого ключей 24 и 25, а выход сумматора 13 присоединен к входу блока 10 управления частотой инвертора. На первый и второй входы детектора 18 различия фаз подключены выход регулируемого генератора 12 частоты и выход импульсного датчика 9 частоты вращения вектора ЗДС асинхронного электродвигателя, а выход присоединен к входу регулятора 21. Выход регулятора 21 присоединен к входу ключа 24 непосредственно и к входу ключа 25 через инвертор 22.

Устройство содержит также датчик 31 величины ЭДС электродвигателя 7, второй задатчик 32 интенсивности, пятый ключ 33, а преобразователь 3 имеет отдельно каналы управления напряжением - вход 34 и частотой - вход 35. При этом датчик напряжения 31 входом присоединен к статору электродвигателя, а выходом через параллельно соединенные второй задатчик 32 интенсивности и ключ 33 и контакты переключателя 20- к входу 34 изменения напряжения преобразователя 3 частоты.

К входу блока 16 управления присоединены выходы датчика 8 аварийного состояния, детектора 18 различия фаз, выходы ключей 24 и 25. Выходы 36-41 блока 16 управления воздействуют на ключи 5,6,19,20 и 33 и контакт42 ключа 20. Дополнительный вход задатчика 32 связан с входом задатчика 14.

Способ осуществляется следующим образом.

В нормальном режиме асинхронный электродвигатель 7 подключен через ключ 5 к основному преобразователю частоты 1, подсоединенному к основной сети 2. Частота вращения электродвигателя 7 определяется уровнем сигнала на выходе блока 15 задания, который подается в систему управления основного преобразователя 1 частоты,

При отказе основной сети 2 или основного преобразователя 1 частоты датчик 8

выдает сигнал в блок 16 управления, который вырабатывает сигналы на отключение ключа 5 (выход 36) и перевод контактов переключателей 20 и 19 соответственно из положений 42 в 43 и из 44 в 45 (выход 37),

замыкание ключа 33 (сигнал 38), уменьшение постоянной времени задатчика 14 интенсивности (сигнал 39). В этом случае отключенный от основного преобразователя 1 частоты электродвигатель 7 начинает

выбег, при котором частота вращения ротора электродвигателя 7 уменьшается так же, как и уменьшаются амплитуда и частота ЭДС, наводимой в обмотке статора электродвигателя 7 (фиг. 2). При этом затухание

частоты вращения ротора и амплитуды ЭДС происходит с низкой интенсивностью. Датчик 9 частоты, контролируя точки перехода фазных ЭДС статора через нуль, вырабатывает импульсные сигналы, частота которых

пропорциональна частоте вращения ЭДС статора и частоте вращения ротора электродвигателя 7. Импульсные сигналы с выхода датчика 9 подаются на вход детектора 18 и преобразователя 17, преобразующего импульсы в аналоговый сигнал, который подается на вход задатчика 14 интенсивности через контакт 2 переключателя 19. Сигнал с выхода задатчика 14 интенсивности через первый сумматор 13 подается на регулируемый генератор 12, с которого поступает на кольцевую схему 11. Сигналы с кольцевой схемы 11 распределяются по ключам резервного преобразователя 3 частоты и определяют частоту на его выходе, Так как на вход

задатчика 14 интенсивности подается сигнал с выхода преобразователя 17, пропорциональный частоте вращения вектора ЭДС асинхронного электродвигателя 7, то поэтому частота выходного напряжения резервного преобразователя 2 частоты практически равна частоте вращения вектора ЭДС электродвигателя 7. Наиболее быстрому достижению равенства частот резервного преобразователя 3 частоты и частоты вращения

вектора ЭДС электродвигателя 7 способствует уменьшение темпа изменения сигнала задатчика 14 интенсивности, осуществляемое блоком 16 управления подачей сигнала 39 на его дополнительный вход.

Кроме того, переключатель 20 подсоединяет через контакт 43 ключ 33, датчик 31 напряжения - к каналу 34 изменения напряжения преобразователя 3 частоты. Поэтому напряжение на выходе преобразователя 3

частоты практически равно величине ЭДС выбегающего электродвигателя 7.

На входы детектора 18 различия фаз подаются импульсные сигналы с выхода генератора 12 и выхода импульсного датчика 9 частоты, и на его выходе сигнал пропорционален отклонению фазы вращающихся векторов ЭДС асинхронного двигателя 7 и выходного напряжения резервного преобразователя 3 частоты от противофазы, т.е. от того момента, когда они находятся в про- тивофазе (угол 180°). Сигнал с выхода детектора 18 подается на вход регулятора 21, с выхода которого подается на второй вход сумматора 13 либо через ключ 24, через инвертор 22 и ключ 25. Выбор канала передачи определяется разностью заданной частоты вращения и фактической частоты вращения электродвигателя 7, которая определяется с помощью сумматора 28. В случае, если векторы напряжения преобразователя 3 и ЭДС электродвигателя 7 находятся не в противофазе, блок 16 выдает разрешающий сигнал на синхронизацию (сигнал 40), который поступает на первый вход логических схем И 29 и 30,

Если разность частот положительна, то срабатывает пороговый элемент 26 и открывает ключ 24 сигналом с логической схемы И 29. В этом случае положительный сигнал с регулятора 21 через ключ 24 поступает на сумматор 13. увеличивая частоту генератора 12, а значит, и частоту вращения вектора напряжения преобразователя. Этим изменением частоты осуществляется синхронизация по фазе векторов напряжения резервного преобразователя 3 частоты () и вектора ЭДС (Е) асинхронного электродвигателя 7. Когда векторы будут находиться в противофазе, сигнал на выходе детектора 18 будет равен нулю, а значит, будет равен нулю и сигнал на втором входе сумматора 13. В это время блок 16 управления вырабатывает сигнал (выход 41), открывающий ключ б, и асинхронный электродвигатель 7 подключается к преобразователю 3 частоты. Так как при подключении частота на выходе преобразователя 3 частоты несколько больше частоты вращения электродвигателя 7, а напряжение на выходе преобразователя 3 практически равно ЭДС электродвигателя 7 (Е), то ток подключения, определяемый уравнением

Рпч Е ZAD

ипч

0)

практически будет равен нулю,

где ZAO - сопротивлений одной фазы электродви ателя.

Так как блок 16 управления одновременно с подачей сигнала 41 на ключ 6 сни- мает сигнал 38 с ключа 33 и сигнал 40 со схем И 23 и 30, то ключ 33 размыкается и напряжение на выходе преобразователя 3 (канал 34 напряжения) будет изменяться через второй задатчик 32 интенсивности по экспоненте, параметры которой представлены в формуле

(1-e t/r)+Un40 -el/f (2)

где Urw - напряжение на выходе преобразователя частоты после подключения;

КпчО - напряжение на выходе преобразователя в момент подключения, равное ЭДС электродвигателя;

т- постоянная времени изменения напряжения;

Ui - напряжение на выходе преобразователя частоты, соответствующее условию Ui k шдоо ;

k - коэффициент, соответствующий соотношению между напряжением и частотой на выходе преобразователя частоты при постоянном магнитном потоке электродвигателя;

COADO частота вращения ротора электродвигателя в момент подключения.

Кроме того, снимается сигнал изменения частоты с входа элемента 13 сравнения. Электродвигатель 7 будет работать в

двигательном режиме с нарастающим потоком, так как отношение U/f преобразователя 3 частоты пропорционально потоку будет увеличиваться. Поток нарастает по экспоненте, приближаясь к номинальному. Так

же по экспоненте будет нарастать ток подключения, величина превышения которого над номинальным будет определяться постоянной экспоненты гзадатчика 32 интенсивности и при т Гр может, например, не

превышать 1,2-1,5 номинального значения (где Тр - постоянная времени цепи ротора электродвигателя).

Далее по истечении времени,равного 4- 5 постоянных времени, блок 16 управления

снимает сигнал 37, что переводит переключатели 19 и 20 соответственно в положения 42 и 44 и снимает сигнал 39 с первого задат- чика 14 интенсивности. Преобразователь 3 подключается к блоку 15 задания частоты и

далее работает с постоянным соотношением U/f const, причем постоянная времени задатчика 14 устанавливается достаточно большой и ток электродвигателя и его частота вращения плавно увеличиваются соответственно до значения: ток - до величины, определяемой нагрузки; частота - до величины заданной блоком 15. Процесс подключения преобразователя 3 к электродвигателю 7 заканчивается,

Если разность заданной частоты вращения и фактической частоты вращения электродвигателя 3 отрицательна, то срабатывает пороговый элемент 27, сигнал с выхода которого через элемент И 30 открывает ключ 25. В этом случае положительный сигнал с выхода регулятора 21 инвертируется инвертором 22 и через ключ 25 поступает на второй вход сумматора 13, уменьшая частоту задающего генератора 12, Синхронизация векторов напряжения преобразователя 3 частоты и вектора ЭДС электродвигателя 7 осуществляется уменьшением частоты вращения вектора напряжения преобразователя 3. При нулевом сигнале на выходе ключа 25, соответствующем нахождению векторов напряжения преобразователя 3 и ЭДС электродвигателя 7 в противофазе, блок 16 управления вырабатывает сигнал 41, открывающий ключ 6, Далее алгоритм работы устройства соответствует изложенному с отличием заключающимся в том, что электродвигатель при подключении в первое время работает в генераторном режиме торможения,

В цепи регулятора 21 включен узел 23 регулируемого ограничения, который обеспечивает ограничение сигнала на выхо де регулятора 21, не более величины

(Упч - -и. о АВ. что позволяет подклю1 ±ок

чить двигатель на рабочую часть механиче ской характеристики, где - частота преобразователя частоты; SkuMo - критическое скольжение и скорость двигателя.

Задатчик интенсивности (фиг, 3) включает два операционных усилителя - суммирующий 46 и интегрирующий 47 с выходом 48 задатчика 32, переключатель 49 и масштабный усилитель 50, На первый вход операционного усилителя 46 подключается с помощью переключателя 49 либо основной вход 51 (через контакт 52), либо дополнительный вход 53 через масштабный усилитель 50 и контакт 54 переключателя 42. Выход интегрального усилителя 47 присоединен к второму входу масштабного усилителя 46 и является выходом 48 задатчика 32. Масштабный усилитель 50 реализует функцию Кшдоо. Работа задатчика интенсивности заключается в следующем. При подаче сигнала от блока 16 управления замыкается ключ 33 (фиг, 1), а в задатчике 32 интенсивности ключ 49 находится в положении 54. В

этом случае на выходе задатчика 32 сигнал равен входному сигналу. После снятия сигнала 38 с блока 16 управления ключ 33 размыкается (фиг. 1), а ключ 49 переходит в

положение 52. В этом случае на вход задатчика 32 интенсивности или первый вход усилителя 46 подается напряжение Ui KCOADO в соответствии с формулой (2) - предельное напряжение, к которому стремится напряжение на выходе задатчика 32.

Способ подключения асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты обеспечивает плавное изменение переходного тока и момента за счет

введения раздельного изменения напряжения и частоты резервного преобразователя частоты, изменения напряжения по экспоненциальному закону напряжения, равного величине ЭДС выбегающего электродвигателя. При этом ток в первый момент подключения равен н.улю, так в формуле (1) величины ипч и Е практически равны между собой по модулю и находятся в противофа- зе. Далее ток будет определяться постоянной изменения экспоненты (2), которую выбирают из условия обеспечения нужного превышения максимального значения тока над номинальным, например 1,2-1,5.

Таким образом, предлагаемый способ

обеспечивает снижение переходных токов и моментов электродвигателя при подключении его к резервному преобразователю частоты, поэтому ниже будет вероятность отказа электродвигателя и механизма, а

значит, выше надежность переключения. Формула изобретения Способ подключения асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты, при котором отключают перешедший в аварийный режим основной преобразователь частоты, работавший с заданной частотой, изменяют частоту вращения векторов напряжения резервного преобразователя частоты и ЭДС отключенного асинхронного электродвигателя, определяют разность заданной и фактической частоты вращения электродвигателя, измеряют фазу между векторами напряжения преобразователя частоты ЭДС асинхрбнно,го электродвигателя, синхронизируют частоту переключения напряжения резервного преобразователя частоты с частотой вращения вектора ЭДС асинхронного электродвигателя, синхронизируют по фазе вектора

напряжения резервного преобразователя частоты и ЭДС асинхронного электродвигателя увеличением или уменьшением частоты резервного преобразователя частоты в зависимости от знака разности заданной и

фактической частоты вращения электродвигателя и подключают асинхронный электродвигатель к резервному преобразователю частоты в момент нахождения вектора ЭДС двигателя и напряжения преобразователя в противофазе, отл и чающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения переходных моментов и токов, дополнительно передподключением измеряют величину ЭДС выбегающего электродвигателя и при подключении асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты устанавливают напряжение на выходе преобразователя частоты равным ЭДС электродвигателя, затем после подключения увеличивают напряжение на выходе преобразователя частоты по экспоненциальному закону и через время, равное четырем-пяти постоянных времени экспоненты, производят переключение задания преобразователя частоты на заданную частоту и напряжение, соотношение которых обеспечивает постоянный магнитный поток электродвигателя, при этом параметры экспоненты определены соотношением

Un4-lh(1-e t/) + Un40e t/t ,

где ипч - напряжение на выходе преобразователей частоты после подключения;

Улчо - напряжение на выходе преобразователя частоты в момент подключения, равное ЭДС электродвигателя;

т- постоянная времени изменения напряжения;

Ui - напряжение на выходе преобразователя частоты, соответствующее условию UI KWADO;

К - коэффициент, соответствующий соотношению между напряжением и частотой на выходе преобразователя частоты при по стоянном магнитном потоке электродвига- теля;

WADO - частота вращения ротора электродвигателя в момент подключения.

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в частотно-регулируемых электроприводах с резервированием преобразователя частоты. Цель - повышение надежности путем снижения переходных моментов и токоа, Способ подключения асинхронного электродвигателя к резервному преобразователю частоты обеспечивает плавное изменение переходного тока и момента за счет введения раздельного изменения напряжения по экспоненциальному закону напряжения, равного величине ЭДС выбегающего электродвигателя. При этом ток в первый момент подключения равен нулю, т.к, величины изменения напряжения и ЭДС равны между собой по модулю и находятся в противофазе. Далее ток определяется постоянной изменения экспоненты, которую выбирают из условия обеспечения нужного превышения максимального значения тока над номинальным. 3 ил. (Л

7

tf 4«ч

Фиг. 2