Устройство для управления асинхронным электродвигателем Советский патент 1993 года по МПК H02P7/42 

ч

Ј

Использование: в химической, горнодо- . бывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Сущность: в устройстве для управления асинхронным электродвигателем регулятор 8 частоты снабжен третьим входом и введены компаратор 13, узел 14 управления и управляемый ключ 15, включенные в цепь управления реактивным током. Это позволит обеспечить защиту устройства от провала напряжения в питающей сети, что снизит массу и габариты преобразователя частоты за счет уменьшения массы и габаритов его фильтра. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-управляемым электроприводам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, горнодобывающей, металлургической и других.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов устройства в условиях питания преобразователя частоты от нестабильности питающей сети, характеризующейся кратковременными глубокими провалами питающего напряжения;

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для управления асинхронным электродвигателем; на фиг.2 « 3 - примеры возможных вариантов технической реализации узла управления.

Функциональная схема на фиг.1 устройства для управления асинхронным электродвигателем содержит преобразователь частоты 1, состоящий из выпрямителя 2, LC- фильтра 3 и автономного инвертора напряжения 4, снабженного клеммами 5 для подключения асинхронного двигателя, соединенных последовательно между собой, блок регулирования составляющих тока 6, подключенный своими выходами к управляющим входам преобразователя частоты 1, а входами - к выходу задатчика намагничивающей составляющей статорного тока 7 и к выходу регулятора частоты 8, связанного своими двумя входами, соответственно, с одним из выходов узла задания 9 и с выходом датчика частоты 10, датчик напряжения 11, соединенный своим входом с питающим входом преобразователя частоты 1, а выходом - со входом фильтрующего звена 12, компаратор 13, узел управления 14 и ключ 15. При этом выход компаратора 13 через узел управления 14 соединен с управляющим входом ключа 15, связанному своими двумя выходами, соответственно, с третьим входом и с выходом регулятора частоты 8, первый вход компаратора 13 соединен с выСО

so ю

о ю

ходом фильтрующего звена 12, а второй вход - со вторым выходом узла задания 9. Блок регулирования составляющих тока 6 выполнен, например (в качестве одного из возможных вариантов реализации), в виде регулятора тока 16 и системы управления : выпрямителем 17; соединенных последова- т-ельно, задающего генератора 18 и системы управления инвертором 19, соединенных последовательно, при этом первый из входов (интегрирующий) задающего генератсн ра 18 соединен с выходом датчика ЭДС двигателя 20, подключенного своими входами к выходам датчиков напряжения 21 и тока 22 двигателя, первый в,ход регулятора тока 16 соединен с выходом датчика тока 22, а второй вход (опорный) задающего генератора 18 и второй вход регулятора тока 16 являются соответственно первыми и вторыми входами блока регулирования состав- ляющих тока 6, в котором выходы систем управления 17,19 выпрямителем и инвертором являются его выходами, :..

Узел управления 14 может быть выполнен, например, в виде согласующего усилителя или одновибратора, формирователя длительности импульса.

На фиг.2 приведен возможный вариант выполнения узла управления 14, который содержит транзисторный ключ 23, к коллек- тору которого подключены конденсатор 24, вход логического элемента НЕ 25 и вывод резистора 26, второй вывод которого подсоединен к источнику питания +Un, база транзистора 23 подсоединена к первым выводам резисторов 27 и 28, при этом второй вывод резистора 28, эмиттер транзистора 23 и второй вывод конденсатора 24 соединены вместе и подключены к общему выводу источника питания, второй вывод резистора 27 и выход логического элемента НЕ 25 являются соответственно, входом и выходом узла управления 14. . :

На фиг.З приведен, другой возможный вариант выполнения узла управления 14, содержащий I К-триггер 29, подключенный своим С-входом через счетчик 30 к выходу генератора импульсов 31,1-входом - к общему выводу источника питания, S и К-входа- ми, соединенными вместе между собой,- ко входу логического элемента НЕ 32, связанному своим выходом через RC-цепочку 33. с R-входсм счетчика 30, при этом 3-вход и выход триггера 29 является соответственно входом и выходом узла управления

Предложенное устройство работает следующим образом: с первого выхода узла задания 9 поступает сигнал задания частоты (скорости) ОУ на один из входов регуля

0

5

0

тора частоты 8, на другой вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте (скорости) со с. выхода датчика частоты 10. В зависимости от знака и величины отклонения своих входных сигналов регулятор частоты 8 формирует сигнал задания 1а активной составляющей статорного тока двигателя, поступающий на один из входов регулятора тока 15 блока регулирования составляющих тока 6. Задатчик намагничивающей составляющей статорного тока 7 формирует сигнал задания jt, намагничивающей составляющей тока, поступающий на первый опорный вход задающего генератора 18, на второй интегрирующий вход которого поступает сигнал Ее выхода датчика ЭДС 20. Сигнал Е вычисляется датчиком ЭДС 20, например, из выражения:

E- U -ld-R,

(1)

5

0

0 5 0

5 0

5

где U - выходной сигнал датчика напряжения 21, установленного на входе инвертора 4;,.- . у. .. .: . . . Id-ток е звене постоянного тока преобразователя (пропорциональный в установившемся режиме активной составляющей J2 статорного тока двигателя);

R - активное сопротивление обмотки статора двигателя (возможны другие более точные формулы для вычисления ЭДС, использующие информацию о напряжении и токах в статорных обмотках двигателя). Задающий генератор 18 формирует на своем выходе систему логических импульсов чао- тотой:

fi8 E/i,A(2)

которые поступают на вход системы управления инвертором 19. Посредством системы 19 импульсы распределяются, усиливаются, гальванически развязываются и подаются к управляющим электродам тиристоров автономного инвертора напряжения 4. Регулятором тока 1.5, на входы которого поступают сигналы задания (с выхода регулятора частоты 8) и фактической обратной связи по активной составляющей статорного тока (с выхода датчика тока 22), осуществляется (воздействием через систему управления выпрямителя 6 на угол управления тиристоров управляемого выпрямителя 2) стабилизация фактического значения активной составляющей тока на уровне заданного значения. При этом в двигателе создаются заданные значения магнитного потока Ф (определяемое отношением E/f) и электромагнитного момента:/ Ф la. двигатель разгоняется (тормозится) до заданного значения ш частоты (скорости). Описанный выше режим работы устройства соответствует нормальному напряжению питающей сети, при этом на выходах компаратора 13 и узла управления-1.4 присутствуют полярности сигналов, обеспечивающие разомкнутое состояние ключа 15 (при котором этот ключ не оказывает влияние на функционирование регулятора частоты 8).

При глубоком провале питающего напряжения (ниже 85% от номинального значения напряжения} изменяются на противоположные полярности выходных сигналов компаратора 13 и схемы управления 14, .открывается ключ 15, обнуляется выходной сигнал регулятора частоты 8, определяющий сигнал задания (la 0) активной составляющей статорного тока двигателя. При этом на все время-действия кратковременного (как правило, длительностью менее 1,5 с) глубокого провала напряжения питающей сети посредством блока регулирования составляющих тока б, воздействующего на управляющие входы преобразователя 1, уменьшается значение выходного тока электропривода с величины Vii + iju до величины, равной If- (т.е. до тока холостого хода двигателя). Так как для общепромышленных серийных двигателей ток холостого хода составляет примерно 0.23-0,3 от номинального значения статорного тока двигателя, то мгновенные значения коммутируемого тока автономным инвертором напряжения 4 в течение времени действия провала питающего напряжения уменьшаются также приблизительно, в 3-4 раза по сравнению со значениями, соответствующими номинально - действующему току.

При провале напряжения питающей сети наблюдается пропорциональное уменьшение напряжения на конденсаторах фильтра источника подзаряда, создающего напряжение на коммутирующих конденсаторах инвертора 4. Из-за указанного сниже- ния напряжения на коммутирующих конденсаторах автономного инвертора 4 с емкостной коммутацией, происходит пропорциональное снижение коммутационной устойчивости преобразователя частоты 1 согласно формуле

Uc U

1хм,

(3)

где IK,.кн-текущее и номинальное значения максимально-допустимого.коммутируемого выходного тока инвертора;

Uc, UH - текущее и номинальное значения напряжения сети, питающей преобразователь частоты.

Таким образом, с учетом осуществляе- 5 мого в предложенном способе снижения в 3-4 раза фактического коммутируемого тока инвертором 4 допускается устойчивая (безаварийная) коммутация тока преобразователем при глубоких провалах питающего

0 напряжения (очевидно, примерно, до 2530% - от номинального напряжения сети).

Время спадания-выходного тока электро° привода со значений, равного + li ,

до значения L,- определяется быстродейст5 вием блока регулирования составляющих тока 6 и на практике составляет не более 20-40 мс, На время действия провала напряжения питающей сети магнитный поток в двигателе сохраняется неизменным, рав0 ным своему предшествующему значению (т.к. сохраняется значение сигнала задания

- i,;f намагничивающей составляющей статорного тока), а электромагнитный момент двигателя спадает до нуля (т.к. уменьшается до

5 нуля активная составляющая статорного тока двигателя). Имеющее место кратковременное (на время провала напряжения сети) снижение до нуля электромагнитного момента двигателя вызывает динамические

0 провалы в скорости электропривода, величина которых : зависит прямо пропорционально от длительности времени действия провала напряжения и от величины момента статического сопротивления рабочего

5 механизма, и обратно пропорционально от приведенного махового момента инер- ции привода. Учитывая, что продолжительность кратковременных провалов питающего напряжения в сетях электроснабжения ме0 таллургическмх предприятий, коммунального и сельского хозяйства, как правило, не превышает 1,5 с и данные провалы нерегулярны и редки во времени, то для большинства общепромышленных механизмов

5 (насосы, конвейеры, рольганги и др.) динамические провалы скорости вполне допустимы по условиях технологических процессов, не снижая в целом, производительности рабочих механизмов и качества

0 выходной продукции.

Пойле окончания провала питающего напряжения при восстановлении нормального значения напряжения питающей сети на входах компаратора 13 сигнал, поступа5 ющмй с;дзтчика напряжения 11 через филь. трующее звен.о 12, становится больше опорного сигнала, поступающего со второго выхода узла задания 9, При этом изменяются на:противоположные полярности выход ных сигналов компаратора 13 и схемы

правления 14, закрывается ключ15 и востанавливается заданное значение актив- ой составляющей я тока на выходе егулятора частоты ;8, необходимое для поледующего восстановления до заданного 5 начения а фактической частоты (скороти) со электропривода. При этом фильтрующее звено 12 осуществляет выделение игнала, пропорционального основной гаронике питающего напряжения, из фаетичв- 10 кого напряжения сетипутем отфильтровыва- ния из выходного сигнала датчика напряжения 11 высокочастотной составляющей, нали- чие которой вызвано вносимыми искажениями на сеть (коммутационными провалами) от ра- 15 боты внешних тиристорных; устройств, подключенных к данной питающей сети. Наличие фильтрующего звена 12 в устройстве необязательно, если питающая сеть содержит минимальные искажения (отли- 20 чия от.несинусоидальной формы).

Узел управления 14 формирует сигнал включения ключа 15 на время действия провала питающего напряжения. При этом в питающих сетях, характеризуемых четко вы 25 раженными провалами напряжения сети ниже опорного напряжения (например, ниже 85% от номинального значения напря-; жения сети) в течение всего времени длительности провала, узел 14 может вы- 30 полниться в виде согласующего усилителя, формирующего необходимые уровни сигналов: для управления открытым и закрытым состояниями ключа 15. В питающих сетях, характеризуемых формой провалов питаю- 35 щегонапряжения, при которой в течение длительности провала возможен высокочастотный дребезг11 питающего напряжения вокруг уровня порогового сигнала, целесообразно выполнение узла управления 14 в 40 виде одновибратора, формирователя дли- . тельности импульса (например, в виде схем, приведенных на фиг.2 и фиг.З). В узле управления на фиг.2 с момента начала провала питающего напряжения сети и поступления 45 с выхода компаратора 13 сигнала лог. 1 на резистор 27, открывается транзистор 23, разряжается конденсатор 24, на выходе элемента НЕ 25 формируется сигнал лог.1, ключ 15- открывается; при восстановлении 50 питающей сети до йвоего нормального значения с выхода компаратора 13 на резистор 27 поступает сигнал лог. О, транзистор 23 закрывается, начинается заряд конденсатора 24 от источника +Un через резистор 26, с 55 задержкой от момента восстановления напряжения, равной 40-50 мс; на выходе элемента 25 появляется сигнал лог. О, задающий закрытое состояние ключа 15.

В узле управления на фиг.З при начале провала питающего напряжения сети поступает сигнал лог. 1 на К- и S-входы ГК-триг- гера 29 и вход логического элемента НЕ 32, изменяется на лог. 1 выходной сигнал триггера 29, открывается ключ 15; при восстановлении питающего напряжения до его нормального уровня на К и S-входы триггера 29 и вход элемента НЕ 32 поступает сигнал лог. О, путем воздействия узкого сигнала лог. 1 через КОцепочку 33 на R-вход счетчика 30 осуществляется установка (сброс) выходных сигналов счетчика 30 в начальное состояние, после чего происходит изменение выходных сигналов счетчика с приходом на его счетный вход каждого импульса генератора 31; через прохождение определенного количества импульсов (составляющее по времени не менее 40-50 мс) на С-вход триггера поступает сигнал лог, 1 с выхода счетчика 30, триггера 29 на лог. О, осуществляется закрытие ключа 15, В узлах управления на фиг.2 и фиг.З осуществляется временная задержка (не менее 40-50 мс) на расшунтирование ключа 15 после момента восстановления напряжения питающей сети, которая необходима для исключения влияния высокочастотного дребезга питающего напряжения вокруг опорного сигнала (равного 85% от номинального значения) на работу устройства, при этом исключаются высокочастотные циклы шунтирования- расшунтцрования регулятора частоты 8. Величина времени 40-50 мс определена ис- ходя из реального быстродействия отработки фактического значения выходного тока электропривода блоком регулирования составляющих тока 6 и преобразователем частоты 1. Схема управления 14 межет быть дополнена узлом контроля длительности времени провала питающего напряжения, который при индикации длительный (более 1,5 с) временных провалов напряжения будет запрещать (путем отключения) работу устройства от неисправной, питающей сети.

В автономных инверторах напряжения, выполненных на запираемых тиристорах, источник питания формирователей запирающих импульсов потребляет значительную мощность и составляет по массе и объему 30-50% от массы и объема инвертора. И, как правило, из-за требований экономичности инвертора питание его источника осуществляется непосредственно от напряжения питающей сети. При глубоких просадках напряжения питающей сети аналогично инвертору с емкостной коммутацией происходит снижение напряжения на источнике питания формирователей запирающих импульсов, снижаются амплитуды токз управления на запирание тиристоров, а следовательно, уменьшается коммутационная способность автономного инвертора напряжения. - .

Например, в предложенном устройстве автономный инвертор напряжения рассчитан на безаварийную коммутацию номинального значения тока при питающем напряжении преобразователя, равном и более 85% от номинального значения напряжения питающей сети. Тогда для обеспечения безаварийной работы при кратковременных (длительностью менее 1,5 с) провалах питающего напряжения до 70% от номинального значения в известном устройстве должна быть увеличена емкость

85 1 коммутирующих конденсаторов в (-)

.1,45 раза, либо в известном устройстве должна.быть при глубоких провалах питающего напряжения значительно (примерно в 15 раз) увеличена емкость фильтра источника подзаряда коммутирующих конденсаторов.

Предложенное устройство уменьшает установленную мощность автономного инвертора, массу и габариты электропривода в условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети.

Уменьшение установленной мощности автономного инвертора напряжения в условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети достигается путем принудительного снижения выходного тока электропривода до значения тока холостого хода двигателя на время действия глубокого провала напряжения питающей сети. При этом, несмотря на происходящее снижение коммутационной способности автономного инвертора напряжения из-за снижения величины питающего напряжения, в инверторе обеспечивается устойчивая коммутация пониженного значения выходного тока электропривода, а следовательно, .обеспечивается безаварийная работа электропривода при кратковременных (менее 1,5 с) глубоких (ниже 85%оот номинального значения) провалах напряжения питающей сети. Это позволяет обеспечить

функционирование электропривода при кратковременных глубоких просадках питающего напряжения с меньшей установленной емкостью коммутирующих конденсаторов (или меньшей емкостью фильтра подзаряда коммутирующих конденсаторов), а следовательно, с уменьшенной установленной мощностью автономного инвертора напряжения преобразователя час. оты.

Т.к. масса и.объем коммутирующих конденсаторов и конденсаторов фильтра источника подзаряда в современных автономных инверторах напряжения с емкостной коммутацией составляет 50% и более от массы и объема всего инвертора, или до 20% и более от массы и объема всего частотно-регулируемого электропривода малой и средней мощности, то уменьшение установленной

мощности инвертора обеспечивэет устройству снижение массы и габаритов примерно на(1,45-1).20% «10%.

С учетом того, что из всех электрических потерь в преобразователе частоты с емкостной коммутацией (КПД преобразователя равно 0,9-0,96), примерно половина потерь приходится на коммутационные потери, которые пропорциональны второй ступени установленной емкости коммутирующих

конденсаторов, то в предложенном устройстве по сравнению с известными техническими решениями достигается увеличение

коэффициента полезного действия преобразователя частоты на

0,5(1- W--JL-) -(1-2,5)%.

0

0

Формула изобретения Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее преобразователь частоты, составленный из последовательно соединенных выпрямителя, LC-фильтра и автономного инвертора на- пряжения, снабженного клеммами для

подключения асинхронного двигателя, блок регулирования составляющих тока, подключенный выходами к управляющим входам преобразователя частоты, а входами - к выходу зздзтчика намагничивающей составля- ющейстаторного тока и к выходу регулятора частоты, соединенного двумя входами соответственно с первым выходом узла задания и с выходом датчика частоты, датчик напряжения, соединенный входом с питающим

входом преобразователя частоты, а выходом - с входом фильтрующего авена, отличающееся тем, что, с целью уменьшения массы к габаритов в условиях питания пре- п образователя частоты от нестабильной пи- . тающей сети, регулятор частоты снабжен третьим входом и введены компаратор, узел управления, входом соединенный с выходом конденсатора, и управляемый ключ, соединенный управляющим входом с выходом узла управления, а двумя выходами-соответственно с третьим входом и с выходом регулятора частоты, первый вход компаратора соединен с выходом фильтрующего звена, а второй - с вторым выходом узла задания.

Фиг.Т

J-ffl-Ж

L i;- -

т

фиг.З