Устройство для управления асинхронным электродвигателем Советский патент 1979 года по МПК H02P5/34 H02P7/42 

Изобретение относится к области автоматизированного частотноуправляемого электропривода с асинхронными тяговыми двигателями и автономными инверторами напряжения, предназначенными для использования на железнодорожном и автомобиль ном транспорте. Известны устройства для управления асинхронным электродвигателем на осно ве автономных инверторов с импульсным регулированием напряжения внутри инве{ тора при неизменном напряжении источника питания 1. В таких инверторах надежная коммутация силовых тиристоров обеспечивается во всем диапазоне регулирования, включая зону пуска, поскольку напряжение на коммутирующем конденсаторе определяется максимальным н неизменным уровнем напряжения источника питания. При этом нет /необходимости в дополнительных цепях заряда коммутирующего конденсатора от специальных источников напряжения. Однако повышенная частота переключения си- ловых вентилей такого инвертора предъявляет повышенные требования к частотным характеристикам полупроводниковых приборов и элементов узла искусственной коммутации, что приводит,. как правило, к увеличению, их установленной мощности, Известны другие устройства для управления асинхронным электродвигателем на основе автономных инверторов с амплитудным способом регулирования выходного напряжения 2. Услсеия работы полупроводниковых приборов и элементов узла искусственной коммутации в таких инверторах более благоприятны, чем в инверторах с импульсным регулированием напряжения. Однако для обеспечения надежной коммутации силсюых тиристоров в режиме пуска, когда напряжение на входе инвертора, а следс ательно, и на Коммутирующем конденсаторе, мало, в схему инвертора вводят дополнительные цепи заряда коммутирующего конденсатора и специальный источник постоянного напряжения, В результате увели- чивается установленная мощность силово го оборудования инвертора, а также возрастают потери энергии в дополнительных цепях заряда, что снижает эффективность использования таких инверторов. Наиболее близким к изобретению является устройство для управления асинхронным двигателем, которое включает в себя автономный инвертор, получающий питание от источника постоянного напряжения регулируемой амплитуды через комму тирующий элемент н содержащий инверторный мост, обратный мост и узел искусственной коммутации, подключенные к входным и выходным зажимам инвертора, а также блок управления частотой инвертора, один вход которого подключен к датчику угловой скорости асинхронного двигателя, другой - к задагчику абсолютного скольжения, а выход - к инверторному мосту и узлу искусственной коммутации 3. В этом устройстве для обеспечения на дежной коммутации инвертора независимо от величины входного напряжения используется схема подзаряда коммутирующего конденсатора от дополнительного источника. В цепь подзаряда входят трансформа- тор, выпрямитель, сглаживающий фильгр и зарядные тиристоры. Присутствие в схе ме инвертора указанных элементов; необходимых только в режиме пуска, увеличивет массо-габаритные показатели и снижает надежность работы устройства. „ Целью настоящего изобретения является снижение массо-габаритных показателей и повыщение надежности работы устройства. Указанная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно вкл чённые датчик состояния коммутирующего элемента, задатчик пускового режима и элемент выделения максимального сигнала, второй вход которого соединен с за- датчиком абсолютного скольжения, а выход - с блоком управления частотой инвер тора, при этом объединенные выводы постоянного тока инверторного и обратного мостов и одноименный вывод постоянного тока уэла искусственной коммутации подключены к разным зажимам коммутирующего элемента. Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 предс1«влена блок-схе ма устройства для управления асинхронны алекгродвигателем; на фиг. 2 - принципиальная схема автономного инвертора напряжения; на фиг. 3 - принципиальная схе ма за датчика пускового режима; на фиг. 4 - временная диаграмма изменения частоты инвертора при работе устройства. Устройство для управления асинхронным электродвигателем ;(фиг. 1) содержит источник постоянного напряжения регулируемой амплитуды 1, обратный мост 2, инверторный мост 3 и узел искусственной коммутации 4, подключенные к фазам асинхронного двигателя 5, блок управления частотой инвертора 6, к которому подключен датчик угловой скорости 7 асинхронного двигателя и через элемент выделения максимального сигнала 8 задатчик абсолютного скольжения 9, коммутирующий элемент 10, включенный между источником 1 и обратным мостом 2, и датчик состояния li коммутирующего элемента Ю, который через задатчик пускового режима 12 соединен с элементом выделения максимального сигнала 8. Узел искусственной коммутации (фиг.2) представляет собой последовательный колебательный контур из конденсатора 13 и дросселя 14, подключенный к зажимам ио« точника питания 1 с помошью тиристоров 15, 16 и к зажимам асинхронного двигателя 5 с помощью тиристоров 17-22. Инверторный мост на тиристорах 2 3-2 8 и обратный мост на диодах 29-34 подключены к зажимам источника питания через коммутирующийэлемент 10, например контактор, а к зажимам асинхронногчэ двигателя - непосредственно, Задатчик пускового режима (фиг. 3) . содержит последовательно соединенные катушку реле 35, конденсатор 36 и резистор 37. На вход этой цепочки через выключатель 38 поступает напряжение питания 24 В. Одновременно это же напряжение подается на последовагельную цепочку, содержащую катушку коммутирующего элемента (контактора) 1О и замыкающий блок-конгакг реле 35. Последний шунтирован замыкающим блок-контактом контактора 10. Выполняющий роль датчика состояния 11 контакгора 10 размыкающий блок-контакт 11 шунтирует конденсатор 36. Выходной сигнал задатчика пускового режима через резисгор 39 поступает на вход элемента выделения макси мального сигнала, состоящего из диодов 40 и 41. Для замыкания реактивной энергии, запасенной в катушке, при размьгка- НИИ контактора 10 кагушка контактора шунтирована диодом 42. Устройство работает следующим образом. В исходном положении посгоянное 1Ш пряжение на выходе источника 1 минимал но и соответсгвуег пусковому при заданной установке мощности в системе автоматического регулирования электропривода Линейный контактор 10, осуществляющий подачу напряжения источника 1 на вход обратного 2 и инверторного 3 мостов, ра зомкнут. Первоначально на управляющие пере ходы всех тирчсторов инверторного моста 3 и уэла искусственной коммутации 4 подаются отпирающие импульсы от блока управления частотой инвертора 6. При это частота на выходе блока 6 минимальна и соответствует напряжению, поступающему на вход блока 6 от задатчика абсолютного скольжения 9, поскольку на вы ходе аадатчика пускового режту1а сигнал отсутствует. При подаче управляющих импульсов под . действием- приложенного напряжения источника 1 включаются вспомогательные тири торы, например, 17 и 15 и происходит первоначальный заряд конденсатора 13 от источника напряжения 1 по следующей цепв: положительный полюс источника, пн тания - тиристор 15 -конденсатор 13 дроссель 14- тиристор 17 - фазы А и В - тиристор 27 - отрицательный полюс -источника питания. При этом конденсатор 13 заряжается с полярностью, указанной на фиг. 2 {без скобок). . Через 60 электрических градусов в со ответсгвии с алгоритмом управления инвер тором подаются отпирающие импульсы на вспомогательные тиристоры 21 и 16. При этом 11роисходвт перезаряд конденсатора 13 до противоположно полярности по цепи: правая обкладка конденсатора 13 тиристор .16 - диод 33 - тиристор 21 дроссель 14 - левая обкладка конденсатора 13. Еще через 60 электрических градусов подаются отпирающие импульсы на вспомогательные тиристо н 19 и 15. Однако поскольку цепь перезаряда конденсатора 13 через тиристор 19, диод 31 и гириотор 15 разомкнута ксятактрром 1О, то конденсатор 13 вновь заряжается ог источника 1 через фазы нагрузки по цепк; положительный полюс источника питания тиристор 15 - конденсатор 13 дроссель -14 - тиристор 19 .- фазы С и А двигаге ля - тиристор 26 - отрицательный полюс источника питания. При этом непряжение источника 1 оказывается включенным сор ласно с напряжением коммутирующего кон денсагора благодаря чему перезаряд по- следнего происходит до напря яення, примерно равного двойному вапряжепню источника 1 за вычетом потерь в конгуре пере заряда. Описанный и.цкл перезаряда повторяется мног- окрагно. воледсгвие чего устаио™ вившееся напрягкенив на комл-гугируюшем конденсаторе обычно в нескоаско раз выщает величиг-iy напряжения, источикка питания 1, Поело досгк.кения установш:.шегося напряжеккк на коммутирующем кон денсаторе в момент времениt-О (фиг, 4), . вьпслючателем,38 подщот пнтание tia схему задатчика пускового режима (фнг, 3) . При этом потенциал точки А скачком устанавл шаетси равным разкосгн лигающего напряжения к падения напряжения на обмогке реле 35. Эгог сигнал является выходным сигналом задатчцяа пускового режима; он значительно превышает велп чину ригна;1а задагчкка абсодюгного сколь женкя 9 и, поступая через элемент выделе ния максимального сигнала (диоды 40 и 41) на вход, блока 6, опредеядег макси« мальное значение выходной частоты ннвер г°Р ffmax Фиг 4). Одновременно реле 55, включившись, замыкает цепь катутулг конгак-л-ора 10 (фиг. З). Контакгор Ю включается t соединяет положитель хый полюс псгочни ка -постоянного напрязхекия 1 с однонмек« ным общим полюсом постоянного гола инверторного 3 и обра ноги 2 мостов, Бла-у годаря этомуа во-первык, собираются ранее отсутсгвовав-шне цепи для перезаряда коммутирующего конденсатора через диоды 29, 30, 31, во-вторых, на вход пнвергор кого моста 3 подается напряжение источника 1. Инвертор iacrynaer в работу и по фазам двигателя начинает прогекагь уок, коммутация которого пропсходцг усгойчн-во, поскольку при минимальном напряже НИИ источника питания н максимальной вьтходной частоге-и-1вергора коммутнру емый ток нагрузки мал. При этом первые коммутадйн осуще2ГБП.шотся повьгшенным напряжением конденсатора, а после нескольких перезарядов напряухение к;4 кскденса- торе усганавливасгся большим напряжения источника 1 на величину, оиределяемую коммутируемым током нагрузки н парамег рамн элемекгов кол-смутирующего контура С этого, момента н в последующем осуществляется слежекне напряжения на конденсаторе .13 за коммугируег-лым током нагрузки. Поскольку при О частота непршкенйя, пигающего дв1;-я: е.ь 5, мак« симальна, а амплитуда минимальна, го моменг, развиваемый двигателем, меньше момента нагрузки (момента сопротивления) и двигатель не вращается ( fp О на фиг. 4). Пуск двигателя осуществляется благчэ- даря тому, что контактор 10, включившись, своими размыкающими блок-контактами 11 вводит в цепь катушки реле 35 . конденсатор 36 (фиг. 3). Последний начикает заряжаться с постоянной времени, определяемой параметрами конденсатора 36 и резистора 37. С той же постоянной времени снижаются потенциал точки А, частота на выходе блока 6, и, следовательно, частота f на выходе двигателя (фиг. 4). При этом ток двигателя и развиваемый им момент плавно нарастает,и в момент времени t при частоте fy , когда момент, развиваемый двигателем, становится больше статического момента нагрузки, двигатель начинает вращаться и частота его вращения f начинает увеличиваться (фиг.-4). Наклон кривой ff.(t) определяется при этом моментом инерции ротора двигателя и нагрузки. В процессе заряда конденсатора 36 (фиг. 3) сигнал, поступающий на вход элемента выделения максимального сигнала 8 (фиг. 1) с B Iхода задатчика пускового режима 12 уменьшается до нуля. После того, как этот сигнал сгановигся меньше сигнала задатчика абсолютного скольжения 9, на вход блока управления частотой инвертора 6 поступает сигнал, пропорциональный частоте абсолюгного скольжения. Управление частотой двигателя в процессе дальнейшего раз гона осуществляется известным способом, а именно формированием частоты f путем алгебраического суммирования в блоке 6 сигналов, пропорциональных измерен ной частоте ротора „ и заданной частоте абсолютного скольжения js В частности, на фиг. 4 изображен случай, когда частота абсолютного сколь е НИН /J в процессе разгона двигателя остается посто1шной в равной значению выходной частоты инвертора ff в моменг трргания двигтагеля. В процессе заряда конденсатора 36 напряжение, прикладьгааемое к обмотке реле 35, снижается, реле отключается, но цепь катушки контактора 10 остается бло кированной его замыкающими блок-контактами. Возврат схемы устройства в исходное положение осуществляется выключателем 38. С помощью регулируемых ре зисгоров 37 и 39 (фиг. 3) устанавтшаегся уровень и темп снижения выходной частоты инвертора в режиме пуска. Осуществление устойчивого частотного пуска асинхронного двигателя с помощью данного устройства возможно благодаря использованию известной специфической особенности рассматриваемого типа инвертора, состоящей в автоматическом повышении коммутационной способности инвертора при увеличении предкоммутационного тока нагрузки за счет;накопления энергии на коммутирующем конденсаторе в процессе заряда его от источника постоянного напряжения. Идея устройства состоит в исключении возможности опрокидывания инвертора в процессе нескольких первых коммутаций после подачи напряжения на вход, в дальнейшем осуществляется автоматическое слежение напряжения на коммутирующем конденсаторе за изменяющимся током нагрузки. В устройстве эта задача решается од повременно двумя путями: снижением величины предкоммутационного гока на время первых коммутаций вентилей инверго- ра и искусственным повышением напряжения на коммутирующем конденсаторе к моменту подачи напряжения на вход инвертора. При этом первое достигается благодаря увеличению на период первых коммутаций выходной частоты инвертора до максимальной, а второе-благодаря предварительному заряду коммутирующего конДенcaTOjja от источника постоянного напряжения при отключении одного из полкю ж источника от одноименного общего полюса ПОСТОЯННО37О тока инверторного и обратного мостов. В последнем случае, с одной стороны, исключается подача напряжения источника на вход инвертора при сохранении контура для заряда коммутирующего конденсатора через вспомогательные тиристоры и фазы нагрузки, с другой стороны, создаются условия для периодического подключения напряжения источника питания на напряжение заряженного согласно коммутирующего конденсатора, вследствие чего установившееся напряжение на коммутирующем конденсаторе к моменту подачи напряжения на вход инвертора может существенно превышать напряжение источника питания. Иными словами, при минимальном напряжении источника питания к моменту первой коммутаций удается запасти на коммутирующем конденсаторе энергию. достаточную для надежной коммутации гоков нагрузки, соответствующих этому минимальному уровню напряжения источника питания и установленной максимальной вы ходной частоте инвертора при неподвижном двигателе. Таким образом, устройство позволяет обеспечить устойчивый пуск асинхронного двигателя без увеличения установленной мощности элементов инвертора, применения дополнительного источника и цепей подааряда, а также без изменения алгорит ма управления тиристорами инвертора, что приводит к повышению КПД и надежности электропривода, а также снижению его массо-габаритных показателей и стоимости. Формула изобретения Устройство для упр ления асинхронным электродвигателем, выполненное на базе автономного инвертора напряжения, подключенного к источнику постоянного напряжения регулируемой амплитуды через коммутирующий элемент, содержащее ни- 1верторный мост, обратный мост, узел иЬ- кусственной коммутации и блок управления частотой инвертора, один вход которого подключен к датчику угловой скорости электродвигателя, а выход - к инверторному мосту и узлу искусственной коммутации, отличающееся тем, что, с целью снижения массо-габаритных по«ш- зателей и псжышения надежности работы устройства, в него введены последовательно включенные датчик состояния коммутирующего элемента, задатчик пусксжого ре- жима и элемент выделения максимального сигнала, втопой вход которого соединен с задатчиком абсолютного скольжения, а выход - с блоком управления частотой икЕертора, при этом объединенные выводы постоянного тока инверторного и обратного мостов и одноименный вывод постоянного тока узла искусственной комму тации подключен к разным зажимам коммутирующего элемента. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.. Сандлер А. С. и Гусяцкий Ю. М. Тирис рорные инверторы с широтнонсмцульоной модуляцией. М.,Энергия 1968, с. 1О. 2.Патент Великобритании 1055855, кл. Н 2 Г, 1965. 3.Журнал Электрическая и тепловодная тяга , № 8, 1970, с. 36-39.

-2f8 38