Устройство для торможения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя

(51 402 Р,)22 ССРРЫТИЙ О НЧЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ельскии, ический ОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТ О ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Всесоюзный цаучно-исследоватпроектно-конструкторский и технологинститут силовых полупроводниковройств(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОРМОЖЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в химической, горнодобывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение эффективности торможения црц уменьшении установленной емкости силового фильтра. Указанная цель достигается введением в устройство для торможения частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя импульсно-аналогового преобразователя (ИАГ 1) 9 и выполнением широтно-импульсного прерывателя (ШИП) 5 тока с двумя дополнительными входа ми. Олин дополнительный вход 111 ИГ 5; епосредственцо, а другой его дополнительный вход через ИАП 9 подключены к соответствуюшему выходу системы 8 управления инвс ртором 2. Это позволяет ооеспечить царядх с широтно-импульсным ц фазовое управление подключением тормозного резистора 6 и стабилизацию в режиме инверторного торможения магнитного цотокосцеплеция. В результате исключаются цеблагопрцятньц зоны включения тормозного резистора 6. 2 шз.Изобретение относится к электротехнике, в частности к частотно-регулируемым электроприводам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, горнодобывающей, металлургической и других - для торможения частотно- регулируемых электроприводов без устройств рекуперации энергии в сеть.Целью изобретения является повышение эффективности торможения частотно-регулируемого электропривода при уменьшении установленной емкости силового фильтра преобразователя частоты.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для торможения частотно-регулируемого электропривода; на фиг. 2 - временные диаграммы работы.Устройство для торможения частотно- регулируемого асинхронного электродвигателя 1 содержит инвертор 2, связанный своими входами через силовой фильтр 3 с выходом нереверсивного управляемого выпрямителя 4, а выходом -- с асинхронным электродвигателем 1, широтно-импульсный прерыватель 5 тока, посредством которого тормозной резистор 6 подсоединен к входу инвертора 2. Вход широтно-импульсного прерывателя 5 соединен с выходом блока 7 регулирования. Устройство содержит также систему 8 управления выпрямителем 4 и систему 9 управления инвертором 2, снабженнук) выходами 10 и подключенную к задатчику 11 частоты, импульсно-аналоговый преобразователь 12. При этом широтно-импульсный прерыватель 5 подсоединен вторым входом непосредственно, а третьим входом через импульсно-аналоговый преобразователь 12 к соответствующему выходу системы управления инвертором 9. Вход системы 8 управления выпрямителем 4 подключен к выходу блока 7 регулирования. Широтно-импульсный прерыватель 5 тока тормозного резистора 6 содержит последовательно подключенный силовой ключ 13, связанный своим управляющим входом через компаратор 14 с одним из входов генератора 15 пилообразного напряжения, при этом второй вход компаратора 14, первый и второй входы генератора 15 пилообразного напряжения являются соответственно первым, вторым и третьим входами широтно-импульсного прерывателя 5, а вторые выводы тормозного резистора 6 и силового ключа 13 являются выходами широтно-импульсного прерывателя 5 тока тормозного резистора 6,На фиг. 2 приведены сравнительные временные диаграммы работы предлагаемого и известного устройств, где С, 1 - фазные напряжения и ток электродвигателя 1; Т, Т диаграмма включения широтно-импульсного прерывателя 5 соответственно в предлагаемом и известном устройствах lь и l ь - напряжение на конденсаторе С силового фильтра 3 и входной ток инвертора 2 соответственно в предлагаемом и известном510 устройствах; Сl, Оь - выходные сигналы соответственно блока 7 регулирования и генератора 15 пилообразного напряжения; l - выходной сигнал системы 9 управления инвертором 2.Устройство работает следующим образом.Командой на режим торможения частотно-регулируемого электропривода является изменение на положительную полярность выходного сигнала блока 7 регулирования, в качестве выходного регулятора которого, могут использоваться регуляторы напряжения, тока ЭДС или частоты вращения, применяемые в унифицированных системах подчиненного регулирования. При изменении на положительную полярность выходного сигнала блока 7 регулирования нереверсивный выпрямитель 4 путем воздействия на систему 8 управления выпрямителем 4 переводится в инверторную зону углов управления, находится и удерживается 20 в непроводяшем состоянии. При этом задатчик 11 частоты уменьшает выходную частоту инвертора до значения, при котором частота становится меньше частоты вращения ротора электродвигателя.Накопленная приводом кинематическаяэнергия переводит возбужденный магнитным полем асинхронный электродвигатель 1 в генераторный режим. Вследствие этого генерируемая электродвигателем 1 электрическая энергия через основные тиристоры и диоды обратного моста инвертора 2 поступает в звено постоянного тока, где накапливается на конденсаторе С силового фильтра 3 и рассеивается в виде электрических потерь на тормозном резисторе 6, подключенном к входу инвертора посредством силового клю "С целью регулирования интенсивноститемпа торможения электропривода (за счет воздействия на величину средней мощности рассеивания электрических потерь в тормозном резисторе 6) подключение тормоз О ного резистора 6 осуществляется широтно-импульсным способом с помощью широтно-импульсного прерывателя 5. В широтно- импульсном прерывателе 5 совмещаются функции широтного и фазового управления включением тормозного резистора 6. На первый вход генератора 5 пилообразного напряжения поступают с второго выхода системы 9 управления узкие импульсы Ь шестикратной (по отношению к выходной) частоты, совпадающие по времени с момен тами включения основных тиристоров инвертора 2. Указанные импульсы У синхронизируют работу генератора 15 пилообразного напряжения, в котором заряд интегрирующего элемента (в интервале времени между соседними импульсами У) осуществляетсяот аналогового сигнала, поступающего с выхода импульсно-аналогового преобразователя 12 и пропорционального выходной частоте электропривода. Выходной пилообразныйсигнал (/,-, генератора 15 своим началом и окончанием связан с моментами переключения основных тиристоров инвертора 2, а амплитуда сигнала /5 остается неизменной при различных значениях выходной частоты. На компараторе 14 осуществляется сравнение амплитуд опорной пилы Е/1 в и управляющего сигнала У 7, поступающего с выхода блока 7 регулирования.При увеличении амплитуды выходного сигнала С/у блока 7 регулирования увеличивается скважность выходных импульсов Т ком па ратора 14, а следовательно, и скважность подключения (посредством силового ключа 13) тормозного резистора 6. Таким образом, осуществляется широтно-импульсное регулирование времени включения тормозного резистора 8, а значит средней мощности электрицеских потерь, рассеиваемых на тормозном резисторе.Фазовое управление включением тормозного резистора заключается в том, что, изменяя свою длительность при широтно-импульсном регулировании, импульсы Т управления силовым ключом 13 широтно-импульсного прерывателя 5, расширяясь вправо, сохраняют определенное фазовое положение Ь фронта начала импульса (совпадающее с моментом времени включения основных тиристоров инвертора 2). В результате использования дополнительного фазового управления широтно-импульсным прерывателем 5 в предлагаемом устройстве обеспечивается исключение неблагодприятной зоны включения тормозного резистора (в частности, интервала времени /1 - /, фиг. 2). Это достигается посредством определенного фазового формирования импульсов управления, связанных передними фронтами с фронтами импульсов переклюцения основных тиристоров инвертора, и ограничения максимальной длительности указанных импульсов управления на уровне /о - -/ь Последнее обеспечивается соответствующим ограничением максимального значения выходного сигнала У-, блока 7 регулирования (на уровне (/7).Задатцик 11 частоты в режиме инверторного торможения частотно-регулируемого электропривода (т. е. с рассеиванием ранее накопленной кинетической энергии привода на тормозном резисторе), воздействуя на систему 9 управления инвертором 2, задает такое текущее значение выходной частоты напряжения инвертора 2, при котором поддерживается на заданном (обычно равном номинальному значению) уровне магнитное потокосцепление р двигателя. В качестве примера технической реализации задатчика 11 частоты можно привести его выполнение в виде последовательно соединенных элементов: датчика ЭДС электродвигателя и задающего генератора, выход последнего является выходом задатчика частоты. В этом случае выходная частота / электропривода задается пропорционально фактической ЭДС 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 электродвигателя, что означает реализацию закона частотного управления: ЭДС//= =соп 1=;. Стабилизация в переходных режимах торможения магнитного возбуждения электродвигателя на уровне номинального значения способствует развитию электродвигателем максимальных значений перегрузоцного тормозного электромагнитного момента. За счет исключения неблагоприятной зоны подключения тормозного резистора (интервал времени / - 1 ч фиг. 2), характеризующейся провалами электромагнитного тормозного момента и увеличением пульсаций напряжения на конденсаторе силового фильтра, стабилизируются мгновенные значения тормозного электромагнитного момента двигателя и снижаются пульсации на конденсаторе силового фильтра в режиме торможения электропривода. В результате использования благоприятных зон подключения тормозного резистора (в периоде выходного напряжения) и применения дополнительной стабилизации магнитного потокосцепления электродвигателя в режиме торможения (с помощьк задатчика 11 частоты) в предлагаемом техническом решении обеспечиваются увеличение среднего знацения тормозного момента электродвигателя и устойчивый (т. е. без срывов) режим инверторного торможения электропривода в широком диапазоне частот и нагрузок с нормируемым значением электромагнитного момента в функции в функции сигнала управления.Возможность нормирования среднего значения тормозного электромагнитного момента электродвигателя от сигнала управления (т. е. от выходного сигнала блока 7 регулирования) при неизменной величине напряжения на силовом фильтре (или на входе инвертора) обусловлена повторяемостью и фазовой однозначностью расположения в межкоммутационный период инвертора, равенствами амплитуды и сквазности тока, протекающего (в процессе возвращения энергии от двигателя через инвертор) в тормозной резистор. Вследствие нормирования амплитуды опорной пилы /1; генератора 15 заданному неизменному сигналу управления /-, соответствует неизменная скважность подключения тормозного резистора на различных выходных частотах инвертора. Однако вследствие изменения (с изменением выходной частоты) напряжения на силовом фильтре примерно пропорционально с указанным напряжением изменяются амплитуда тока, протекающего через тормозной резистор, и, следовательно, среднее значение тормозного электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем.При необходимости в предлагаемом устройстве нормирования среднего значения электромагнитного тормозного момента при изменении напряжения на входе инвертора в широких пределах используется извест 1339850ное выполнение блока 7 регулирования (в частности, введением в него блока деления выходного сигнала (l на сигнал, пропорциональный напряжению на входе инвертора, измеренный на силовом фильтре). Таким образом в предлагаемом устройстве может быть достигнута нормируемость среднего значения электромагнитного тормозного момента электродвигателя в функции сигнала управления независимо от изменения напряжения на входе инвертора и изменения 10 частоты вращения двигателя.В результате торможения частота вращения электродвигателя 1 достигает заданного установившегося значения, при этом выходной сигнал блока 7 регулирования изменяет полярность на отрицательную, а задатчик 11 частоты задает неизменное значение новой установившейся частоты инвертора. При этом на входах компаратора 14 широтно-импульсного прерывателя 5 амплитуда выходного сигнала У генератора 15 пилообразного напряжения постоянно превышает амплитуду выходного сигнала У блока 7 регулирования, вследствие чего выходной сигнал Т компаратора 14 равен нулю и силовой ключ 13 находится постоянно в разомкнутом состоянии, т, е. тормозной 25 резистор 6 отключен. Одновременно с изменением на отрицательную полярность выходного сигнала lг блока 7 регулирования посредством воздействия через систему управления выпрямителем 4 нереверсивный выпрямитель 4 переводится в выпрямительную зону углом управления; что определ яет токопроводящее состояние силовых тиристоров выпрямителя 4. В результате указанной работы через открытый выпрямитель 4 осуществляется необходимая токовая подпитка энергией конденсатора С силового фильтра 3 и инвертора 2, вследствие чего электродвигатель 1 переводится и устанавливается в двигательном режиме работы при новом установившемся значении частоты вращения. Предлагаемое техническое реше ние обеспечивает как подтормаживание электропривода до любого значения пониженной частоты вращения, так и торможение до нулевой частоты вращения (т. е. останов) при реактивном характере момента статистического сопротивления на валу 45 электродвигателя.Предлагаемое техническое решение повышает эффективность торможения частотно- регулируемого электропривода при уменьшении установленной емкости силового фильтра преобразователя частоты.Указанные преимущества в предлагаемом устройстве достигается за счет применения наряду с широтно-импульсным дополнительно фазового управления подключением тормозного резистора, а также за счет осу ществения в режиме инверторного торможения стабилизации на уровне номинального значения магнитного потокосцепления электродвигателя, В результате фазового управления подключением тормозного резистора исключаются неблагоприятные зоны подключения тормозного резистора, в которых осуществляется потребление энергии инвертором от силового фильтра для возбуждения электродвигателя, характеризующиеся высокими значениями пульсаций и колебаний электромагнитного тормозного момента двигателя. При этом разрешаются только благоприятные зоны включения тормозного резистора, в которых осуществляется непосредственно возвращение электромагнитной энергии от электродвигателя через инвертор в звено постоянного тока, и рассеивание указанной энергии в виде электрических потерь на тормозном резисторе 5. При управлении в данных разрешенных интервалах пульсации мгновенного значения тормозного электромагнитного момента двигателя существенно снижены. В результате определенного фазового формирования (т. е. фазовой синхронизации) импульсов включения тормозного резистора по отношению к процессам коммутации в инверторе, а также вследствие стабилизации скважности указанных импульсов управления независимо от изменения выходной частоты в предлагаемом устройстве обеспечивается нормирование среднего значения тормозного электромагнитного момента двигателя от сигнала управления. Осуществление стабилизации (на уровне номинального значения) магнитного потокосцепления электродвигателя в режиме инверторного торможения позволяет увеличить значения перегрузочного тормозного момента электропривода. Таким образом, вследствие обеспечения высоких значений перегрузочной способности, стабилизации, уменьшения пульсаций и нормирования от сигнала управления электромагнитного тормозного момента электродвигателя существенно улучшены динамические характеристики частотно-регулируемого электропривода в режиме торможения (в частности, сокращено время переходных режимов торможения на 20 - 30 Я) и достигнута устойчивость режима инверторного торможения электропривода в рабочем диапазоне частоти нагрузок.В результате управления подключением тормозного резистора только в разрешенных временных зонах (достигаемого посредством фазового управления) и исключения неблагоприятных зон подключения, характеризующихся высокими значениями пульсаций напряжения на конденсаторе силового фильтра (из-за процесса разряда конденсатора фильтра одновременно на тормозной резистор и через инвертор на возбуждаемый электродвигатель), в предлагаемом устройстве уменьшена величина пульсаций на конденсаторе силового фильтра. В частности, при равной установленной емкости конденсаторов известного и предлагаемого чст339850 Формула изобретенич и и и 614 иг. 3 Составитель В. Тарасоред И. Вересраж 659тета СССР по делаги г- 35, Раушская нэое предприятие, г. Уж Редактор Л. Гратиллоаказ 4242/53ИИПИ Государствен3035, Мроизводственно.поли ТеТи Корректор Н. КорольПодписное1 зобретений и откргятиб., д. 4,5город, л. Проектная, 4 ого комосква, Жрафицес ройств в данном техническом решении амплитуда пульсаций на конденсаторе силового фильтра за счет стабилизации тока через конденсатор, ниже примерно на 30%.Выбор суммарной емкости электролитических конденсаторов силового фильтра преобразователя частоты осуществляется исходя из максимально допустимых (разрешенных правилами эксплуатации) пульсаций напряжения на них. Исходя из условия равных пульсаций напряжения на конденсаторах фильтра в известном и предлагаемом устройствах, соответствующих длительной безаварийной работе преобразователя частоты, при уменьшении амплитуды пульсаций на конденсаторах фильтра уменьшается емкость фильтра пропорционально уменьшению амплитуды пульсаций на фильтре. Следовательно, установленная емкость силового фильтра в предлагаемом устройстве может быть уменьшена примерно на 30%. Это позволяет уменьшить стоимость, массу и габариты устройства в целом примерно на 4 - 5%. Применение предлагаемого технического решения в качестве устройства торможения промышленных частотно-регулируемых электроприводов позволит за счет уменьшения времени торможения вследствие увеличения среднего значения тормозного электромагнитного момента повысить производительцость рабочих механизмов, работающих в длительных тормозных режимах прц снижении стоимости и улучшения массо-габа ритных показателей электроприволов.5 Устройство лля торможения частотнорегулируемого асинхронного электродвигателя, содержащее инвертор, выход которого предназначен для подключения к асинхронному электродвигателю, а вход цнвертора связан через силовой фильтр с выходом цереверсивного управляемого выпрямителя, систему управления инвертором, вход кото рой соединен с выходом задатчика частоты,систему управления выпрямителем, входом подключенную к выходу блока регулирования, тормозной резистор, подклоченцый к входу инвертора через широтно-импульсный прерыватель тока, вход которого соединен 20 с выходом блока регулирования, отличаюи 4 ееся тем. что, с целью повышения эффективности торможения при уменьшении установленной емкости силового фильтра, введен импульсно-аналоговый преобразователь, а широтно-импульсный прерыватель тока снабжен дополнительными вхоламц, один из которых непосрелственцо, а другой через импульсно-аналоговый преобразователь подключены к соответствующему выходу системы управления инвертором.