Устройство для управления асинхронным электродвигателем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ГОСУДАРСТВЕННОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТ ТЕНТН ОРСКОМУ С ТЕЛ ЬСТ ЕНТ СССР)ИСАНИЕ ИЗО(71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт силовых полупроводниковых устройств(56) Авторское свидетельство СССР М 879724, кл. Н 02 Р 7/42.Авторское свидетельство СССР М 1246321, кл. Н 02 Р 7/42, 1984,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 и 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, ) С- фильтра 3 и автономного инвертора напря 421829102 А 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ (57) Использование: в химической, горнодобывающей, металлургической и других отраслях промышленности. Сущность: в устройстве для управления асинхронным электродвигателем регулятор 8 частоты снабжен третьим входом и введены компаратор 13. узел 14 управленйя 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. жения 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 вы 1829102ходом фильтрующего.звена 12, а второйвход - со вторым выходом узла задания 9.Блок регулирования составляющих тока 6выполнен, например (в качестве одного иэвозможных вариантов реализации), в виде 5регулятора тока 16 и системы управления: выпрямителем 17, соединенных последова, тельно, задак 1 щего генератора 18 и системыуправления инвертором 19, .соединенныхпоследовательно, при этом. первый из входов (интегрирующий) задающего генератора 18 соединен с выходом датчика ЗДСдвигателя 20, подключенного своими входами к выходам датчиков напряхсения 21 и.тока 22 двигателя, первый входрегулятора 1 бтока 16 соединен.с выходом датчика тока 22;а второй вход (опорный) задающего генератора 18 и второй вход регулятора тока 16являются соответственно первыми и вторыми входами блока регулирования составляющих тока 6, в котором выходы системуправления 17, 19 выпрямителем и инвертором являются его выходами,. Узел управления 14 может быть выполнен, например, в виде согласующего усилителя или одновибратора, формирователядлительности импульса,На фиг,2. приведен возможный вариантвыполнения узла управления 14, которыйсодержит транзисторный кл 1 оч 23, к коллектору которого подключены конденсатор 24,вход логического элемента НЕ 25 и выводрезистора 26, второй вывод которого подсоединен к источнику питания+Оп, база транзистора 23 подсоединена к первым выводам ЗБрезисторов 27 и 28, при этом второй вывод. резистора 28, эмиттер транзистора 23 и второй вывод конденсатора 24 соединенывместе и подключены к общему вцводу источника питания, второй вывод резистора 4027 и выход логического элемента НЕ 25 яв-.ляются соответственно, входом и выходомузла. управлений 14.На Фиг.З приведен. другой возможныйвариант. выполнения узла управления. 14, 45содержащий 1 К-триггер 29, подключенныйсвоим С-входам через счетчик 30 к выходугенератора импульсов 31, 1-входом - к общему выводу источника питания, 8 и К-входами, соединенными вместе между собой, - 60ко входу логического элемента НЕ 32, связанному своим выходом через ВС-.цепочку33. с й-входам счетчика 30, при этом 3-входи выход триггера 29 является, соответственна входом и выходом узла управления 5614.Предложенное устройство работаетследующим образом: с первого выхода узлазадания 9 поступает сигнал задания частоты (скорости)вф на один из входов регулятора частоты 8, на другой вход которого поступает сигнал отрицательной обратной связи по частоте (скорости) ас выхода датчика частоты 10. В зависимости от знака и величины отклонения. своих входных сигна-. лов. регулятор частоты 8 Формирует сигнал задания 4 активной составляющей статорного тока двигателя, поступающий на один иэ входов регулятора тока 15 блока регулирования составляющих тока 6. Задатчик намагничивающей составляющей статорнога тока 7 Формирует сигнал задания 1намаг/ ничивающей составляющей тока, поступающий на первый опорный вход задающего генератора 18, на второй интегрирующий вход которого поступает сигнал Е с выхода датчика ЗДС 20, Сигнал Е вычисляется датчиком ЗДС 20, например, иэ выражения:Е-.О - Ы й, (1)где О - выходной сигнал датчика напряжения 21, установленного на входе.инвертораЫ - ток в звене постоянного така преобразователя (пропорциональный в установившемся режиме активной составляющей 4 а статорного тока двигателя);В - активное сопротивление обмотки статора двигателя (возможны другие более точные Формулы для вычисления ЗДС, использующие инфармацию а напряжении и токах в.статорных обмотках двигателя). Задающий генератор 18 формируе 1 на своем выходе систему логических импульсов частотой:18 = - Е/1 р, (2)которые поступают на вход системы управления инвертором 19, Посредством системы 19 импульсы распределяются, усиливаются, гальванически развязываются и подаются к управляющим электродам тиристаров автономного инвертора напряжения 4. Регулятором тока 15, на входы которого поступают сигналы задания (с выхода.регулятора частоты 8) и фактической обратной связи па активной составляющей статарнага 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 заданнага значения. При этом в двигателе создаются заданные значения магнитного потока Ф(определяемое отношением Е/) и электромагнитного момента:,и = Ф 4, двигатель разгоняется (тормозится) да заданного эначения в+ частоты (скорости), Описанный выше режим работы устройства соответствует нормальному. напряжениа питающей сети, при этом на выходах кампаратора 13 и узла управления 14: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;6 от номинального значения напряжения) изменяются на противоположные полярности выходных сигналов компаратара 13 и схемы управления 14, открывается клгоч 15, обнуляется рыходнай сигнал регулятора частоты 8, определяющий сигнал задания (а- О) активной составляющей статорного тока двигателя. При этом на все времядействия кратковременного (как правила, длительностью менее 1,5 с) глубокого провала напряжения питающей сети посредством блока регулирования составлягощих тока 6, воздействующего на управляющие входы преобразователя 1, уменьшается значение выходного токаэлектропривада с величины 4 д +р да величины, равной (/ (т,е, до то" ка холостого хода двигателя), Так как для общепромышленных серийных двигателей так холостого хода составляет примерно 0,23-0.3 от номинального значения статорного тока двигателя, та глгновеннье значения коммутируемого тока автономным инвертором напряжения 4 в.течение времени действия провала питающего напрякения.уменьшаготся также приблизительна. в 3-4 раза по сравнениго со значениями, соответствующими номинальноглу действующему току.При провале напряжения питающей сети наблюдается пропорциональное угленьшение напряжения на конденсаторах фильтра источника падзаряда, создающего напряжение на коглмутирующих конденсаторах инвертора 4, Из-за указанного снижения напряжения на коммутирующих конденсаторах автономного инвертора 4 с емкостной коммутацией; происходит пропорциональное снижение коммутационной устойчивости преобразователя частоты 1 согласно формуле где к, кн- текущее и номинальное значениямаксимально-дапустимага:коммутируемоговыходного тока инвертора; Ос, Он - текущее и номинальное значения напряжения сети, питающей преобразователь частоты.Таким образом, с учетом осуществляемого в предложенном способе снижения в 3 - 4 раза фактического коммутируемого тока инверторам 4 допускается устойчивая (безаварийная) коммутация тока преобразователем при глубоких провалах питающего напряжения (ачевидно, примерно, до 25 -30 - от номинального напряжения сети). Время спадания выходного тока электро- привода со значения, равного бр 2 +до значения- определяется быстродействием блока регулирования составляющих тока 6 и на практике составляет не более 20 - 40 мс, На время действия провала напрякения питающей сети магнитный поток в двигателе сохраняется неизменным, равным своему предшествующему значению(т,к, сохраняется значение сигнала задания,+ намугничивающей составляющей статорйого тока), а электромагнитный момент двигателя спадает до нуля (т.к. уменьшается до нуля активная составляющая статорного тока двигателя). Имеющее место кратковременное(на время провала напряжения сети) снижение до нуля электромагнитного момента двигателя вызывает динамические провалы в скорости электропривода, величина которых зависит прямо пропорционально от длительности времени действия поовала напряжения и от величины момента статического сопротивления рабочего механизма, и обратно пропорционально - от приведенного махового момента инерции привода. Учитывая, что продолжительность каатковременных провалов питающего напряжения в сетях электроснабжения металлургических 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 45 (насосы. конвейеры, рольганги и др.) динамические провалы скорости вполне допустимы по условиях технологических процессов, не снижая в целом производительности рабочих механизмов и качества выходной продукции, ПоСле окончания провала питающего напряжения при восстановлении нормального значения напряжения питающей сети на входах компаратора 13 сигнал, поступа ющий с датчика напряжения 11 через фильтрующее звена 12, становится больше опорного сигнала, поступающего со второго выхода узла задания 9, При этом изменяются нд"противоположные полярнОсти выходных сигналов кампаратора 13 и схемыуправления 14, закрывается. ключ 15 и восстанавливается заданное значение актив,.ной составляющей 1 а тока на выходе регулятора частоты;8, необходимое для последующего восстановления до заданного значения в" фактической частоты (скорости) в электропривода. При этом фильтрующее звено 12 осуществляет выделение сигнала, пропорционального основной гармонике питающего напряжения, из фактическогонапряжениясетипутем отфильтровывания из выходного сигнала датчика напряжения 11 высокочастотной составляющей, наличие которой вызвано вносимыми искажениями на сеть (коммутационными провалами) от работы внешних тиристорных устройств, подключенных к данной питающей сети.Наличие фильтрующего звена 12 в устройстве необязательно, если питающая сеть. содержит минимальные искажения (отличия от несинусоидальной формы).Узел управления 14 формирует сигнал включения ключа 15 на время действия провала питающего напряжения, При этом в питающих сетях, характеризуемых четко выраженными провалами напряжения сети ниже опорного напряжения (например, ниже 85 от.номинального значения напряжения сети) в течение всего времени длительности провала, узел 14 может выполняться в виде согласующего усилителя, формирующего необходимые уровни сигналов для управления открытым и закрытым состояниями ключа 15. В питающих сетях, характеризуемых формой провалов питао" щего напряжения, при которой в течение длительности провала возможен высокочастотный "дребезг" питающего напряжения вокруг уровня порогового сигнала, целесообразно выполнение узла. управления 14, в . виде одновибратора, формирователя длительности импульса (например, в виде схем, .приведенных на фиг.2 и.фиГ,З). В узле управления на фиг,2 с момента начала проаала питающего напряжения сети и поступления с выхода компаратора 13 сигнала лог, "1" на .резистор 27, открывается транзистор 23, разряжается конденсатор 24,.на выходеэлемента НЕ 25 формируется сигнал лог,"1", ключ 15 . открывается; при восстановлении питающей сети до своего нормального значения с выхода компаратора 13 на резистор 27 поступает сигнал лог. "0", транзистор 23 закрывается, начинаетсязаряд конденсатора 24 отисточника+Оп через резистор 26, с задержкой от момента восстановления напряженйя, равной 40-50 мс; на выходе элемента 25 появляется сигнал лог. "0", задающий закрытое состояние ключа 15.В узле управления на фиг.З при начале провала питающего напряжения сети поступает сигнал лог. "1" на К- и 3-входы 1 К-триггера 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 Я-входы триггера 29 и вход элемента Н Е 32 поступает сигнал лог. "0", путем воздействия узкого сигнала 10 лог, "1" через ВС-цепочку 33 на Я-вход счетчика 30 осуществляется установка (сброс) выходных сигналов счетчика 30 в начальное состояние, после чего происходит измене ние выходных сигналов счетчика с приходомна его счетный вход каждого импульса генератора 31; через прохождение определенного количества импульсов (составляющее по времени не менее 40-50 мс) на С-вход 20 триггера поступает сигнал лог, "1" с выхода счетчика. 30, триггера 29 на лог, "0", 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 вь 1 сокочастотного "дребезга" пита- ющеГО напряжения вокруГ ОпорноГО сиГнана работу устройства, при этом исключаются. высокочастотные циклы шунтированиярасшунтирования регулятора частоты 8, Величина времени 40 - 50 мс опреДелена ис 35 ходя из реального быстродействия отработки фактического значения выходного тока электропривода блоком регулирования .составляющих тока 6 и преобразователем частоты 1, Схема управления 14.может 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 обьему 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 им- в 30 ла (равного 85, от номинального значения)5 10 торце пропорциональны второй ступени установленной емкости коммутирующих 20 конденсаторов, то в предложенном устройстве по сравнению с известными техническими решениями достигается увеличение коэффициента полезного действия преобразователя частоты на2510;5 (1 - ф 1 - ) =(1 - 2,5)о.(1,45) Формула изобретения Устройство для управления асинхронным электродвигателем, содержащее преобоазооатель частоты, составленный из последовательно соединенных выпрямителя,С-фильтра и автономного инвертора напряжения, снабженного клеммами для Э 5 подключения асинхронного двигателя, блокрегулирования составляющих тока, подклю ченный выходами к управляющим входампреобразователя частоты, а входами - к выходу зздатчика намагничивающей составляющей статорного тока и к выходу регулятора частоты; соединенного двумя входами соот.ветственно с первйм выходом узла задания и с выходом датчика частоты, датчик напряженил, соединенный входом с питающим "5 входом преобразователя частоты, а выхоДом - с входом фильтрующего звена, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения массь и габаритов в условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающсй сети, регулятор частоты снабжен третьим входом и введены компаратор, узел управления, входом соединенный с выходом конденсатора, и управляемый ключ, соединенный управляющим входом с выходом 55 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,пульсов, снижаются амплитуды тока управления на запирание тиристоров, а следовательно, уменьшается коммутационнаяспособность автономного инвертора напряжения.Например, в предложенном устройствеавтономный инвертор напряжения рассчитан на безаварийную коммутацию номинального значения тока при питающемнапряжении преобразователя, равном иболее 85 от номинального значения напряжения питающей сети, Тогда для обеспечения безаварийной работы прикратковременных (длительностью менее 1,5с) провалах питающего напряжения до 700 1от номинального значения о известном устройстве должна быть увеличена емкостькоммутирующих конденсаторов в ( - )8570=1,45 раза. либо в известном устройстведолжна быть при глубоких провалах питающего напряжения значительно (примерно в15 раз) увеличена емкость фильтра источник ка подзаряда коммутирующих конденсаторов.Предложенное. устройство уменьшаетустановленную мощность автономного инвертора, массу и габариты электроприводао условиях питания преобразователя частоты от нестабильной питающей сети,Уменьшение установленной мощностиавтономного инвертора напряжения в условиях питания преобразователя частоты отнестабильной питающей сети достигаетсяпутем принудительного снижения выходного тока электропривода до значения токахолостого хода двигателя на время действияглубокого провала напряжения питающейсети. При этом, несмотря на происходящееснижение коммутационной способности автономного инвертора напряжения из-за снижения величины питающего напряжения, виноерторе обеспечивается устойчивая коммутация пониженного значения выходноготока электропривода, а. следовательно,обеспечивается безаварийная работаэлектропривода при кратковременных(менее 1,5 с) глубоких (ниже 85)ь, от номинального значения) провалах напряженияпитающей сети. Зто позволяет обеспечитьфункционирование электропривода прикраткооременных глубоких просадках питающего напряжения с меньшей установленнойемкостью коммутирующих конденсаторов(или меньшей емкостью фильтра подзаряда коммутирующих конденсаторов), а следовательно, с уменьшенной установленноймощностью автономного инвертора напряжения преобразователя час. оты. Т,к. масса и обьем 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 ц преобразователя равно 0,9 - 0,96), примерно половина потерь приходится на коммутационные потери, ко1829102 г АЗ трава. кт Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 аказ 2479 ВНИИПИ. Составитель А. ВолковТехред М,Моргентал Корректор Тираж Подписноеударственного комитета по изобретениям и открцтиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж-ЗБ, Раушская наб 4/5