Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения Советский патент 1992 года по МПК H02P3/22 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к регулируемым электроприводам переменного тока.

Известно устройство для управления электродвигателем, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к выводам которого подключены входы ведомого сетью инвертора и автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно к питающей сети через трансформатор и электродвигателю, датчик напряжения на конденсаторе выходом подключенный ко еходу компаратора, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора, а выход сумматора соединен со входом блока управ ления.

Недостаток известного устройства для упраплени электродвигателем заключается в том-, что оно не обеспечивает управление торможением электродвигателя при отключении питающей сети переменного тока, т.к. нет условий для функционирования инвертора ведомого сетью, с помощью которого в режиме рекуперативного торможения запасенная кинетическая энергия возвращается в питающую сеть.

Известна система регулирования асинхронного двигателя, содержащая Збёно постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к выводам которого подключен вход автономного инвертора с блоком управления, выходы которого предназначены для подключения к электродвигателю, датчик напряжения на конденсаторе, выходом подключенного ко входу компаратора, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора, входы ведомого сетью инвертора через ключи подключены к конденсатору, а выходы к питающей сети, ко входам блока управления подключены выход сумматора и первого компаратора.

Недостаток этой системы для регулирования асинхронного двигателя заключается в том, что она не обеспечивает управление торможением асинхронного двигателя при

отключении питающей сети переменного тока.

Наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство для автоматического

управления асинхронным двигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного гока, на выходе которого включен конденсатор, к выходам которого подключены входы ведомого

сетью инвертора и автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю, датчики напряжения на конденсаторе и питающей сети, выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, сумматор, входы которого подключены к соответствующим входам задатчика и датчика частоты вращения ротора, выход сумматора

соединен со входом блока управления, выход первого компаратора через последовательно включенные элемент НЕ, триггер, первый элемент задержки и схему управления инвертором ведомым сетью соединен с

управляющими входами инвертора ведомого сетью, выход второго компаратора через последовательно включенные триггер, второй элемент задержки, блок управления выпрямителем звена постоянного тока

соединен с управляющими входами выпрямителя.

Недостаток такого устройства для автоматического управления асинхронным двигателем в режиме торможения заключается

в том, что оно не обеспечивает управление торможением асинхронного двигателя при отключении питающей сети переменного тока. В процессе торможения кинетическая энергия вращающихся масс асинхронного

двигателя и связанного с ним механизма преобразуется с помощью автономного инвертора и конденсатора в электрическую. Преобразование энергии сопровождается возрастанием напряжения на конденсаторе эвена постоянного напряжения. Если разность амплитудного значения напряжения в питающей сети и напряжения на конденсаторе превысит допустимую величину, то включается инвертор ведомый сетью и накопленная в конденсаторе энергия передается в сеть, напряжение на конденсаторе таким образом в процессе рекуперативного торможения поддерживается на определенном уровне, который является допустимым для всех элементов схемы. Если до начала процесса торможения или во время процесса торможения происходит отключение питающей сети, то инвертор ведомый сетью не в состоянии функционировать, поэтому для исключения увеличения напряжения на конденсаторе сверх допустимых пределов происходит блокировка управления автономным инвертором и асинхронный двигатель тормозится за счет статических моментов сопротивления. Поэтому время торможения и тормозной путь становятся неопределенными, что является недопустимым по правилам техники безопасности и условиям работы некоторых механизмов.

Таким образом, создание устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, обеспечивающего режим торможения в аварийных ситуациях, вызванных отключением сети или отказами инверторов ведомых сетью, является актуальной технической задачей.

Целью изобретения является повышение надежности путем обеспечения регулируемого режима торможения при отключении питающей сети.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к выводам которого подключены входы ведомого сетью инвертора и автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно (питающей сети и электродвигателю, датчики напряжения на конденсаторе и питающей сети, выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход умножения соединен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, выход блока умно- 5 жения соединен со входом блока управления, выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.

При наличии напряжения в питающей

0 сети переменного тока на выходе элемента И формируется сигнал такого уровня, при котором в блоке умножения реализуется функция умножения на плюс единицу. Поэтому в контуре, образованном автономным

5 инвертором, асинхронным электродвигателем, датчиком частоты вращения ротора, сумматором, блоком умножения и блоком управления реализуется отрицательная обратная связь по частоте вращения. В этом

0 случае при рекуперативном торможении асинхронного электродвигателя возможен режим рекуперации энергии в питающую сеть переменного тока, который осуществляется за счет двухступенчатого преобразо5 вания энергии: кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора (с помощью автономного инвертора) и из энергии электрического поля конденсатора в энергию системы трехфазных токов и на0 пряжений (с помощью инвертора ведомого сетью). При отключении напряжения в питающей сети инвертор ведомый сетью не может функционировать, поэтому вторая ступень преобразования неосуществима.

5 Вместо нее в предлагаемом устройстве реализуется преобразование энергии электрического поля вновь в кинетическую.

Это достигается за счет того, что по сигналу второго компаратора задатчик частоты

0 вращения формирует задание нулевой частоты вращения, а выходные сигналы датчика напряжения на конденсаторе и датчика напряжения питающей сети с помощью первого и второго компараторов формируют на

5 выходе элемента И сигнал другого уровня, которым блок умножения переводится в режим умножения на минус единицу. В упомянутом контуре изменяется характер обратной связи (она становится положи0 тельной) и вместо режима торможения возникает двигательный режим и у асинхронного электродвигателя возрастает частота вращения ротора. По мере потребления электрической энергии, запасенной в

5 конденсаторе звена постоянного тока, напряжение на нем снижается, что фиксируется первым компаратором, передаточная функция вход-выход которого гистерезис- ного типа. Изменение состояния первого компаратора приведет к изменению выходного сигнала элемента И, которым в свою очередь с помощью блока умножения в контуре восстанавливается отрицательная обратная связь и вновь возникает генераторный режим, т.е. преобразование кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора. Если в этом случае не произойдет полное преобразование всей накопленной кинетической энергии, т.е. частота вращения не достигнет нулевого значения, то при возрастании напряжения на конденсаторе до верхнего допустимого значения первый компаратор вновь изменит свой выходной сигнал и возникнет двигательный режим. Преобразование энергии электрического поля конденсатора в кинетическую энергию сопровождается потерями в автономном инверторе, асинхронном электродвигателе и механизме привода, поэтому значение частоты вращения в конце интервала с двигательным режимом будет меньше, чем значение частоты вращения, с которого было начато торможение, или чем значение частоты в конце предыдущего интервала с двигательным режимом. Это обстоятельство свидетельствует о том, что в среднем происходит снижение частоты вращения и темп снижения частоты вращения превосходит темп, когда частота вращения уменьшается только вследствие воздействия статического момента сопротивления, т.е. энергия кроме потерь в механизме привода дополнительно расходуется на потери в электродвигателе и автономном инверторе, а также в блоке вторичного источника питания, который должен быть подключен своим силовым входом к конденсатору звена постоянного тока, а выходами ко всем блокамустройства обеспечивая условия для их нормального функционирования.

Таким образом, дополнение известных признаков устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения новыми, расширяет его функциональные возможности за счет обеспечения режима торможения асинхронного электродвигателя при отключении питающей сети.

При анализе известных технических решений признаков, сходных с Отличительными признаками заявленного объекта изобретения, не обнаружено.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, на фиг. 2 вариант исполнения задатчика частоты вращения.

Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в

режиме рекуперативного торможения содержит асинхронный электродвигатель 1, звено постоянного тока 2, образованное выпрямителем 3 и LC-фильтром с конденсатором А на выходе, автономный инвертор 5,

0 подключенный своими силовыми входами к конденсатору А, а выходами к асинхронному электродвигателю 1, инвертор 6 ведомый сетью, подключенный силовыми входами к конденсатору 4, а силовыми выходами к пи5 тающей-сети переменного тока, первый компаратор 7, датчик 8 напряжения на конденсаторе, выход которого подключен ко входу первого компаратора 7, а вход - к конденсатору 4. второй компаратор 9, дат0 чик 10 напряжения питающей сети, выход которого подключен ко входу второго компаратора 9, а вход- к питающей сети переменного тока. Датчик 11 частоты вращения, сумматор 12, блок умножения 13, блок уп5 равления 14 включены последовательно, выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам автономного инвертора 5, задатчик 15 частоты вращения подключен своим выходом к сумматору 12, а

0 управляющим входом ко второму компаратору 9, элемент И 1 б подключен своими входами к выходам первого 7 и второго 9 компараторов, а выходом - ко второму входу блока умножения 13.

5 В качестве асинхронного электродвигателя 1 может быть использован асинхронный двигатель серии 4А.

Выпрямитель 3 может быть реализован по известной схеме Ларионова на неуправ0 ляемых вентилях, либо по такой же схеме на управляемых вентилях, если необходима быстродействующая защита от перегрузки, которая реализуется за счет искусственной коммутации вентилей в выпрямителе 3.

5 Г-образный LC-фильтр звена постоянного тока 2 образован индуктивностью и конденсатором 4 и может быть выполнен аналогично известному.

Автономный инвертор 5 целесообразно

0 выполнить по схеме широтно-импульсного преобразователя.

Инвертор б ведомый сетью может быть выполнен по схеме трехфазного управляемого тиристорного инвертора, работающего

5 на входную питающую сеть переменного тока.

Датчик напряжения 8 может быть реализован по схеме дифференциального усилителя. Входами датчика напряжения являются входы Uc2 прямой и Uci инверсный дифференциального усилителя, а выход его является выходом датчика относительно нулевого потенциала схемы управления приводом.

В качестве компаратора 9 может быть использована серийно выпускаемая микросхема К554САЗ с соответствующей схемой включения. Компаратор обеспечивает сравнение входного сигнала с опорным сигналом, определяющим уставку Срабатывания компаратора.

Компаратор 7 может быть выполнен по схеме регенераторных компараторов на базе операционного усилителя. Напряжение верхнего и нижнего порога переключения определяются по формулам таблицы вышеуказанной литературы.

Датчик напряжения питающей сети 10 реализуется по схеме трехфазного или шес- тифазного выпрямителя с развязывающим согласующим трансформатором на входе.

В качестве датчика 11 частоты враще- ния может быть использован тахогенератор ТТ1-0.03-2-АТ (технические условия 1АТ.569.050-ДУ). Сумматор 12 как элемент сравнения замкнутого по скорости электропривода обычно выполняют в виде ПИ-регу- лятора по схеме на базе операционного усилителя с подъемом в частной характеристике коэффициента передачи в области нижних частот.

В качестве блока умножения 13 должно быть применено устройство умножения аналогового сигнала на дискретный.

В качестве блока управления 14 можно использовать функциональный узел следящей системы электропривода,, обеспечивающий необходимые преобразования сигналов, характерные для управления электродвигателем переменного тока.

Задатчик 15 частоты вращения может быть выполнен по схеме приведенной на фиг. 2. При наличии напряжения в питающей сети реле 17 обесточено и выход потенциометра 18 подключен ко входу сумматора 12. В этом случае величина задающего сигнала определяется положением движка потенциометра 18 и напряжением источников питания 19 и 20, в качестве которых могут быть использованы аккумуляторы или выхо- ды блока вторичных источников питания, которые обеспечивают собственные нужды всех элементов схемы устройства в целом. При отключении сети второй компаратор 9 переключается, формирует на своем выходе сигнал лог. 1, которым включается реле 17, а его контакт подключает вход сумматора 12 к шине нулевого потенциала, что эквивалентно заданию нулевого значения частоты вращения.

В качестве элемента И 16 может быть использована микросхема типа К155.

Предложенное устройство управления в режиме торможения работает следующим образом

Для перехода к режиму торможения за- датчик 15 частоты вращения формирует на своем выходе нулевой потенциал, при этом на выходе сумматора 12 выходной сигнал изменяет свою величину и полярность. Так как исходное состояние компараторов 7 и 9 и выходной сигнал элемента И 16 остаются неизменными, то блок умножения 13 передает входной сигнал на выход без изменения величины и полярности, а блоком управления 14 формируется система управляющих сигналов, переводящая асинхронный электродвигатель 1 и автономный инвертор 5 из двигательного режима работы в генераторный. При этом изменяется направление и величина потребляемого автономным инвертором 5 тока и начинается заряд конденсатора 4, сопровождающийся возрастанием напряжения на нем. Если в питающей сети переменного тока величина напряжения находится в допустимых пределах, то при определенной величине напряжения на конденсаторе 4 включится инвертор б ведомый сетью и создадутся условия для рекуперации энергии в питающую сеть.

Если в питающей сети напряжение уменьшится сверх допустимых пределов, то инвертор 6 ведомый сетью, не может нормально функционировать и он блокируется, а датчик 10 напряжения питающей сети при этом выдает сигнал, меньший уставки порога переключения второго компаратора 9, последний переключается и формирует на соответствующем входе элемента И 16 разрешающий уровень (лог. 1). Блокировка инвертора 6 ведомого сетью приводит к возрастанию напряжения на конденсаторе 4 до верхнего предельно допустимого значения, которое фиксируется первым компаратором 7 из-за соответствующего изменения выходного сигнала датчика 8 напряжения на конденсаторе 4. Выходной сигнал первого компаратора 8 формирует на втором входе элемента И 16 лог. 1 совпадение разрешающих уровней на входах элемента И 16 изменяет его выходной сигнал, который, воздействуя на блок умножения 13, переводит его в режим умножения на минус единицу, что эквивалентно изменению полярности выходного сигнала блока умножения 13 без изменения величины этого сигнала, а в устройстве - переходу от генераторного режима к двигательному. . В двигательном режиме начинается проесс потребления энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе 4, который будет сопровождаться его разрядом и меньшением напряжения. При снижении напряжения и пропорционального ему выходного сигнала датчика 8 напряжения на конденсаторе 4 до порога обратного переключения, определенного гистерезисной характеристикой первого компаратора 7, на выходе первого компаратора 7 формируется лог. 0. Лог. О будет сформирован на выходе элемента И 16 и, как следствие, будет вновь задан генераторный режим, т.к. блок умножения 13 не изменяет в этом случае выходной сигнал сумматора 12 ни по величине, ни по знаку, а в контуре асинхронный электродвигатель 1 - датчик 11 частоты вращения - сумматор 12 - блок умножения 13 - блок управления 14 - автономный инверор 5 обратная связь по частоте враения будет отрицательной. Если остаток запасенной кинетической энергии будет меньше энергии, затраченной на потери и энергии, которая будет запасена в конденсаторе 4 при напряжении на нем меньшем верхнего значения предельно допустимого напряжения, то произойдет снижение частоты вращения до нулевого значения и торможение закончится. Если запасенная кинетическая энергия окажется больше, то напряжение на конденсаторе 4 будет возрастать и произойдет переход в двигательный режим, а затем в генераторный. Процессы перехода из генераторного режима в двигательный и вновь в генераторный будет происходить до полной остановки двигателя.

Режим торможения асинхронного двигателя возникает принудительно при отключении напряжения питающей сети. Второй компаратор 9 в этом случае формирует сигнал лог. 1, который воздействует на управляющий вход задатчика 15 частоты вращения и вызывает в нем формирование нулевой частоты вращения, по которому происходят описанные выше процессы.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения обладает большими функциональными возможностями за счет обеспечения режима торможения при отключении питающей сети, что достигается введением блока умножения и элемента И, а за датчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соединен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, а выход блока умножения соединен со входом

блока управления, выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.

Формула изобретения Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к выводам которого подключены входы ведомого сетью инверторам автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю датчики напряжения на конденсаторе и питающей сети, выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, . сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора, отличающ е е с я тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения регулируемого режима торможения при отключении питающей сети, в него введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соединен с-выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам

первого и второго компараторов, выход блока умножения соединен с входом блока управления, выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.

фиг. 2