Способ защиты от обрыва фазы асинхронного электродвигателя и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H02H7/08 

Предполагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использо- вано для защиты асинхронных электродвигателей, питаемых от преобразователей частоты, при обрыве одной из фаз электродвигателя.

Цель предлагаемого способа - упрощение.

Цель предлагаемого устройства - уменьшение массы и габаритов.

tHa фиг.1 приведена функциональная схема варианта устройства реализации предложенного способа; на фиг.2 - функциональная схема предлагаемого устройства для защиты от обрыва фазы асинхронного электродвигаеля; на фиг.З - эквивалентная схема включения фаз нагрузки при питании от инвертора напряжения; на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства, приведенного на фиг.1; на фиг.5 - временная диаграмма работы устройства, приведенного на фиг.2.

Функциональная схема (фиг, 1) варианта устройства для реализации предложенного способа защиты от обрыва фазы асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты 1, состоящего из последовательно соединенных автономного инвертора 2 с широтно-импульсным регулированием напряжения, силового фильтра 3, выпрямителя 4 и силового выключателя 5, содержит датчик тока 6, подключенный через компаратор 7 к S-входу асинхронного триггера 8, R-вход которого подключен через последовательно соединенные элементы задержки 9 и систему управления инвертором 10 суправляющим входом автономного инвертора напряжения 2, выходы, асинхронного триггера 8 подключены к I и К-входам синхронного триггера 11, счетный вход которого подключен ко входу элемента задержки 9, а выход синхронного триггера 11 связан через последовательно соединенные дифференцирующие цепь 12, исполнительный орган 13 с управляющим входом силового выключателя 5.

На фиг.З приведена эквивалентная схема замещения включения нагрузки (двигателя) при питании от трехфазного автономного инвертора напряжения, где Za, ZB, Zc - Полные сопротивления фаз А, В, С асинхройного двигателя.

На фиг.4 приведены временные диаграммы работы устройства, изображенного на фиг.1, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.5 приведены временные диаграммы работы предложенного устройства на фиг.2.

На фиг.4 и фиг.5 используются следующие обозначения:;

1.1х - соответственно, сигнал тока на входе инвертора и значения минимальной

токовой уставки; U - выходной сигнал компаратора 7; Ua. Ua-1 - выходные сигналы асинхронного триггера 8; Uio и Un - выходные сигналы системы управления инвертором 10 и синхронного триггера 11,

0 соответственно; Ui2H Ui7 выходные сигналы первой 12 и второй 17 дифференцирующих цепочек; Uis - выходной сигнал счетчика 15; п, К- целые числа; а) и i - соответственно, выходная частота инверто5 ра 2 и текущее время.

Функциональная схема (фиг.2) устройства для защиты от обрыва фазы асинхронного двигателя, питаемого от преобразователя частоты 1 на основе авто0 немного инвертора напряжения 2, содержащее датчик тока 6, схему выпрямления 14 и компаратор 7, последовательно соединенные между собой, исполнительный орган 13, синхронный 11 и асинхронный 8 триггеры,

.5 счетчик 15, логический элемент НЕ 16, две дифференцирующие цепочки 12 и 17, реле времени 18, при этом датчик тока 6 своим входом подключен ко входу автономного инвертора напряжения 2, компаратор 7 соеди0 цен выходом непосредственно с l-входом и через логический элемент НЕ 16 -- с К-вхо- дом синхронного триггера 11, выход которого через первую дифференцирующую цепочку 12 подключен к S-входу асинхрон5 ного триггера 8 и R-входу счетчика 15, соединенного своим С-входом с одним из выходов системы управления инвертором 10, задающим момент времени коммутации фазных токов в инверторе 2, и С-входом

0 синхронного триггера 11, счетчик 15 подключен выходом через вторую дифференци- рующую цепочку 17 с R-входом асинхронного триггера 8, подсоединенного своим выходом через реле времени 18 ко

5 входу исполнительного органа 13, выход которого соединен с управляющими входами силового выключателя 5 и выпрямителя 4 преобразователя частоты 1, выход выпрямителя 4 через силовой фильтр 3 связан со

0 входом автономного инвертора напряжения 2.

Предложенный способ (фиг.1) функционирует следующим образом: датчик тока 6 измеряет ток 1 на входе автономного инвер5 тора 2, компаратор 7 измеренный сигнал тока сравнивает с заданным минимальным значением ;1Х, по выходному сигналу Uio контролируют моменты времени коммутации фазных токов инвертора. При отсутст- вии обрыва фазы асинхронного двигателя,

входной ток инвертора 1 характеризуется формой (фиг.4), при которой в каждом длительностью П/3- интервале присутствуют значения амплитуд тока, превышающие заданное минимальное значение 1 . При пре- 5 выщении амплитудой тока инвертора 1 значение уставки 1 компаратор 7 (напри- : мер, выполненный в виде двухуровневого компаратора напряжения) формирует на f своем выходе сигнал UT, равный лог..О. При 10

этрм на первом выходе асинхронного триг-;;: гера 8 устанавливается сигнал Ue-1, равный : лог.1. (на втором выходе триггера 8 формируется инверсный сигнал Ua-i). В :момент коммутации в йнвертбре 2 по фронту из 15 лог,1 в лрг.О сигнала Dip системы управления инвертором 10 синхронный, триггер 11

устанавливается выходным сигналом в ;; ;

лог.1, При отсутствии обрыва фазы триггер/ 11 находится постоянно с выходным сигна -; 20 лбм лог.1, при этом исполнительный орган 13 обеспечивает включенные состояния си- - лового выключателя 5 и преобразователя ; частоты 1 в целом.:/ --, ;:с.- хС; : ;: лС 7 ; В режиме обрыва одной из фаз асинх- 25 ройного двигателя входной ток; 1 инвертора :; 2 изменяет свою форму, а именно содержит

j(jnMTefl-b.itib ct bro.n/3-.Hfe pBaiiM;:xapaKT€ip ; -; ; : зуемые нулевым значением-тока. Напри- мёр, при обрыве фазы С двигателя на двух 30 мёжкоммутационных интервалах, для которых справедлива эквивале таня схема,гу включения фаз нагрузки на фйг.З, ток 1 им- ц/; верторэ 2 равен нулю (сопротивление об- мотки Zc °°). При поступлении с выхода 35 системы управления инвертором 10 сигнала Uio через элемент задержки 9 на R-вход :: ; асинхронного триггера 8, выходной сигнал ; Ue-i триггера 8 устанавливается равн ымч; л6г.0. На интервале П/3, в котором 40 сутствует нулевое значение тока 1 .компаратор7 формирует сигнал U равный лог.1. При этом триггер 8 до очередной коммутации находится с выходным сигналом Us-i; равным лог.О. При очередной коммутации 45

по изменению фронта из лог.1 в лог.О сигнала Uio системы .10, синхронный триггер 11 ; i; формирует на выходе сигнал U 11, равный лог. О. При этом через дифференцирующую цепь 12 и исполнительный орган 13 50 отключается силовой выключатель 5 и через ; преобразователь частоты 1 снимается на- : ; пряжение с асинхронного двигателя. мент задержки 9 осуществляет разнесение во времени (на 0,1-1 мкс) фронтов сигналов 55 Uio и Ua-i на выходах синхронного триггера 11 для исключения сбоев этого триггера (из- за гонки фронтов), Таким образом, посредством датчика б измеряют сигнал тока 1 на входе инвертора 2 и сравнивают его на

компараторе 7 с заданным минимальным значением 1, с помощью системы управления i Q фиксируют моменты .времени коммутации фазных токов инвертора, посредством триггеров 8 и 11 фиксируют снижение сигнала тока ниже заданного минимального значения в пред коммутационный интервал времени (в интервале между соседними коммутациями в инверторе), что определяет обрыв фазы, после чего через дифференциальную цепочку 12 и исполнительный орган 13 снимают напряжение с электродвигателя (посредством силового выключателя 5 преобразователя 1). ; : СТредлЬжеяное устройство (см. фиг.2) работает следующим образом: посредством силового выключателя 5 подается сетевое напряжение на вход управляемого выпрямителя 4, выходное напряжение которого сглаживается силовым фильтром 3. Посредством управляемого выпрямителя 4 и автономного инвертора напряжения 2 регулируются, соответственно, амплитуда и . частота выходного напряжения преобразователя частоты 1, питающего асинхронный электродвигатель. Датчик тока б измеряет ток 1 на входе автономного инвертора 2, /Который выпрямляется.посредством схемы выпрямления :14 и выпрямленное значение сравнивается с заданным минимальным значением 1 на входах компаратора 7. Диаграммы работы элементов предложенного устройства приведены на фиг.5. Система уп равления инвертором 10 формирует на од- ноМ.из своих выходов сигналы управления силовыми ключами инвертора 2, а на другом цг .импульсный сигнал Uio частотой 6f (где f - выходная частота инвертора 2), поступаю- щий на С-входы счетчика 15 и синхронного триггера 11. ..- .... ;/ ; При отсутствии обрыва фазы асинхрон- н огр двигателя входной ток инвертора 1 имеет форму, при которой в каждом длительностью П/3 - интервала между сосед- ними коммутациями присутствуют значения амплитуд тока, превышающие заданное ми-; Нммальное значение 1 .. При превышении током (выпрямленным значением I) величины уставки 1 .компаратор 7 формирует на своем выходе сигнал U, равный лог.1, а логический элемент НЕ 16 - сигнал лог.О, поступающие на 1 и К-входы синхронного триггера 11. -/.; . .-. . : Как известно, в автономном инверторе напряжения, нагруженном на асинхронный двигатель, предкоммутационное значение входного тока инвертора имеет наибольшую величину на интервале между соседними коммутациями (вследствие индуктивного характера нагрузки).

В предшествующей коммутации в инверторе момент времени, контролируемый по изменению фронта из лог. Т в лог.О сигнала Dip, синхронный триггер 11 устанавливается выходным сигналом в лог. 1 и остается постоянно таким во время всего указанного режима. При этом через дифференцирующую цепочку 12 на S-вход асинхронного триггера 8 и R-вход счетчика 15 поступает сигнал лог.1. С приходом каждого фронта изменения сигнала Uto из лог.1 в лог.О на С-вход счетчика 15 последний изменяет последовательно свое состояние и при пере- нении (например, после десятого фронта) формирует на своем выходе сигнал лог.О, Через дифференцирующую цепочку 17 на R-вход триггера 8 поступает узкий сигнал лог.О, триггер 8 устанавливается выходным сигналом Us в лог.Т. При этом через реле времени 18 и исполнительный орган 13 на вход силового зыключателя 5 поступает сигнал, обеспечивающий включенное состояниевыключателя 5 и преобразователя

.частоты 1 в Цел ом.; ; . :: .. . В режиме обрыва одной из фаз асинхронного двигателя входной ток инвертора 2 изменяет свою форму, .а именно содержит длительностью П/3 - интервалы,характеризуемые нулевым значением тока (в; частно- сти, в предкрммутационные в инверторе моменты времени на двух длительностью. П/3 - интервалах в периоде выходной частоты). Наличие нулевыхучастков во входном токе инвертора при обрыве фазы объяснено при описании работы предложенного способа. В предкоммутационные моменты времени на указанных двух участках периода, характеризуемых нулевыми значениями то: ка, на выходах компаратора 7 и логического элемента НЕ 16 формируются сигналы лог.О и лог.1, соответственно. По изменению фронта из лог. 1 в лог.О сигнала U ю, синхронный триггер 11 устанавливается в состояние с выходным сигналом лог.О, через дифференцирующую цепочку 12 триггер 8 устанавливается в состояние с выходным сигналом Us, равным лог.О, а счетчик 15 по R-входуустанавливается в начальное состояние. На остальных четырех участках периода, характеризуем.ух превышением входного тока 1 инвертора 2 над уставкой 1 .в предкоммутационные моменты времени, состояние выходных сигналов компаратора 7, элемента НЕ 16, триггера 11 и дифференцирующей цепочки 12 соответствует режиму, описанному для отсутствия обрыва фазы двигателя, При этом счетчик 15 не достигает состояния переполнения (отсутству/ ёт сигнал лог.О на выходе счетчика 15) и триггер 8 в режиме обрыва фазы двигателя

находится постоянно в состоянии с выходным сигналом лог.О.

С выдержкой времени, равной 5-15 с (после поступления сигнала лог.О на реле),

реле 18 через исполнительный орган 1.3 закрывает управляемый выпрямитель 4 и отключает посредством выключателя 5 преобразователь частоты 1, снимая напряжение с электродвигателя. Реле времени 18

предназначено для исключения ложной работы устройства в интенсивных пуско-тор- мозных режимах, для которых при переходах из режима разгонэ в торможение и обратно в предкоммутационные моменты

времени возможны нулевые значения входного тока инвертора при отсутствии режима .обрыв фазы электродвигателя. Схема вы- прямления 14 служит для формированияод- нопрлярного сигнала,; пропорционального

амплитуде входного тока, инвертора, который характеризуется разнополярными значениями тока в Двигательном и тормозном

режимах работы двигателя, -f: ; v ; . ; Предлагаемое техническое решение nd

способу обеспечивает упрощение способа защиты от обрыва фазы асйнхроннбго двигателя, питаемого от преобразователя час- Totbi на основе автономного инвертора напряжения. Упрощение способа достигнутр за Счет сокращения количества операций измерения токов до одной (вместо трех операций вспос рбе-прототипе). Это сокращает количество сложных технической реализации узлов, а именно гальванических развяз 6 k силовых цепей от цепей управления,

Предлагаемое техническое решение по

устройству обеспечивает уменьшение массы и габаритов устройства для защиты от

обрыва фазы асинхронного двигателя. Снижёние массы и габаритов достигнуто за счет сокращения количества датчиков тока (с трёх до одного). С учетом завышенной уста- новл-енной мощности токовых трансформаторов, используемых в устройстве-прототипе в

качестве датчиков тока, в предложенном уст-

ройстве достигается уменьшение габаритов и массы в 2-3 раза.л :.

Формул а и з 6 б р е т е ни я

1. Способ защиты от обрыва фазы асинхронного электродвигателя, питаемого от преобразователя частоты на основе автономного ийвертора напряжения, заключающийся в том, что, измеряют ток на входе автономного инвертора напряжения и сравнивают его с заданным минимальным значением, при обрыве фазы снимают напряжение с электродвигателя, о т л и ч а-. ю щ и и с я тем, что, с целью расширения области применения, в процессе сравнения сигналов фиксируют моменты времени коммутации фазных токов инвертора и фиксируют снижение сигнала тока ниже заданного минимального значения в предкоммутационный интервал времени, что определяет обрыв фазы, после чего снимают напряжение с электродвигателя.

2. Устройство для защиты от обрыва фазы асинхронного электродвигателя, питаемого от преобразователя частоты на основе автономного инвертора напряжения, содержащее исполнительный орган, последовательно соединенные между собой датчик тока, схему выпрямления и компаратор, причем датчик тока предназначен для подключения своим входом к входу автономного инвертора, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения, в него введены синхронный и асинхронный

0

триггеры, счетчик, логический элемент НЕ, две дифференцирующие цепочки и реле времени, при этом компаратор соединен выходом непосредственно с l-входом и через логический Элемент НЕ - с R-входом синхронного триггера, выход которого через первую дифференцирующую цепочку подключен к S-входу асинхронного триггера и R-входу счетчика, соединенного своим С- входомсодним из выходов системы управления инвертором преобразователя частоты, задающим моменты времени коммутации фазных токов в инверторе, и С-вхо- дом синхронного триггера, счетчик подключен выходом через вторую дифференцирующую цепочку к R-входу асинхронного триггера, подсоединенного своим выходом через реле времени к входу исполнительного органа.

Использование: в области электротехники позволяет уменьшить массу и габариты защиты электродвигателя. Сущность изобретения: новым является режим операций, в частности измерение сигнала тока на входе автономного инвертора напряжения, а в процессе сравнения фиксируют момент времени коммутации и снижение сигнала тока ниже заданного минимального значения в. предкоммутационный интервал времени. Введение в устройство синхронного 11 и асинхронного 8 триггеров, счетчика 15, логического элемента НЕ 16, двух дифференцирующих цепочек 12 и 17 и реле времени 18 позволяет уменьшить массу и габариты устройства для защиты от обрыва фазы асинхронного двигателя. 1 з.п. ф-лы, 5 ил, /-} Асинхронмш I двигатем ел с

Фиг.З

Л---Лb)t

% (n+tWj

Фиг4