Устройство для управления асинхронным электродвигателем

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Соеетскик Социалистицвскик Рвспублии(22) Заявлено 19.04.7 7 2350038 рисоедииеыием заявки К Гасударственный канате СССР пе делам изебрвтеиий и открытий(53) УДК 621 316 .718.5(088.8) Дат бликования описания 08,06,79 2) Авторы изобретены искман, В, В. Маркин, В, К. Миледин, Е. П. Плотников и А. П. Пролыгин 71) Заявитель РОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРО ЗЛЕ КТРОЙВИГАТЕЛЕМИзобретение относится к области автоматизированного частотноуправляемого электропривода с асинхронными тяговыми двигателями и автономными инверторами напряжения, предназначенными для использования на железнодорожном .и автомобильном транспорте.Известны устройства для управления асинхронным электродвигателем на осно ве автономных инверторов с импульсным регулированием напряжения внутри инвер тора при неизменном напряжении источника питания 11 .В таких инверторах надежная коммута ция силовых тиристоров обеспечивается во всем диапазоне регулирования, включая зону пуска, поскольку напряжение на коммутирующем конденсаторе определяется максимальным и неизменным уровнем нап ряжения источника питания. При этом нет необходимости в дополнительных цепях заряда коммутирующего конденсатора от специальных источников напряжения, Однако повышенная частота переключения силовых вентилей такого инвергора предьявляег повышенные требования к частотнымхарактеристикам полупроводниковых приборов и элементов узла искусственнойкоммутации, что приводит, как правило,5 к увеличению, их установленной мощностиИзвестны другие устройства для управления асинхронным электродвигателем наоснове автономных инверторов с амплитудным способом регулирования выходногоф напряжения 2,Условия работы полупроводниковых приборов и элементов узла искусственной коммутации в таких инверторах более благоприятны, чем в инверторах с импульснымрегулированием напряжения. Однако дляобеспечения надежной. коммутации силовыхтиристоров в режиме пуска, когда напряжение на входе инвергора, а следовательно, и на коммутирующем конденсаторе,мало, в схему инвертора вводят дополнительные цепи заряда коммутирующего конденсатора и специальный источник постоянного напряжения, В результате увеличивается установленная мощность силового оборудования инвертора, а также возрастают потери энергии в дополнительныхцепях заряда, что снижает эффективностьиспользования таких инверторов. 5Наиболее близким к изобретению является устройство для управления асинхронным двигателем, которое включает в себя автономный инвертор, получающий питание от источника постоянного напряжения регулируемой амплитуды через коммутирующий элемент и содержаший инверторный мост, обратный мост и узел искусственной коммутации, подключенные к входным и выходным зажимам инвертора атакже блок управления частотой инвертора, один вход которого подключен к датчику угловой скорости асинхронного двигателя, другой - к задатчику абсолютного скольжения, а выход - к инверторному 20мосту и узлу искусственной коммутации 13).В этом устройстве для обеспечения надежной коммутации инвертора независимоот величины входного напряжения используется схема подзаряда коммутирующегоконденсатора от дополнительного источника. В цепь подзаряда входят трансформа-,тор, .выпрямитель, сглаживающий фильтри зарядные тиристоры. Присутствие в схе- ЗОме 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 повышение надежности работы устройства,Указанная цель достигается тем, чтов устройство введены последовательно включенные датчик состояния коммутирующегоэлемента, задатчик пускового режима иэлемент выделения максимального сигнала, второй вход которого соединен с задатчиком абсолютного скольжения, а выход - с блоком управления частотой инвертора, Aри этом объединенные выводы постоянного тока инверторного и обратногомостов и одноименный вывод постоянноготока узла искусственной коммутации подключены к разным зажимам коммутирующего элемента,Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для управления асинхроннымэлектродвигателем, на фиг. 2 - принципиальная схема автономного инвертора напряжения; на фиг. 3 - принципиальная схема задатчика пускового режима; на фиг. 4- временная диаграмма изменения частоты инвертора при .работе устройства.Устройство ддя 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 3.0, включенный между источником 1 и обратным мостом 2, и датчик состояния 11 коммутирующего элемента 10, 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 ис. точника питания 1 с помощью тиристоров 15, 16 и к зажимам асинхронного двигателя 5 с помощью тиристоров 17-22. Инверторный мост на тиристорах 23-28 и обратный мост на диодах 29-34 подключены к зажимам источника питания через коммутирующий элемент 10, например контактор, а к зажимам асинхронного двигателя - непосредственно.Задатчик пускового режима (фиг. 3) содержит последовательно соединенные катушку реле 35, конденсатор 36 и резис тор 37. На вход этой цепочки через выключатель 38 поступает напряжение питания -24 В. Одновременно это же напряжение подается на последовательную цепочку, содержащую катушку коммутирующего элемента (контактора) 10 и замыкающий блок-контакт реле 35, Последний шунтирован замыкающим блок-контактом контактора 10. Выполняющий роль датчика состояния 11 контактора 10 размыкающий блок-контакт 11 шунтирует конденсатор 36. Выходной сигнал задатчика пускового режима через резистор 39 поступает на вход эдемэйта выделения макси мального сигнала, состоящего иэ диодов 40 и 41. Для замыкания реактивной энергии, запасенной в катушке, при размыка нии контактора 10 катушка контактора шунтирована диодом 42.Устройство работает следующим образом.напряжен 11 я, питающего гз-иерь 5, мчк 5В исходном положении постоянное напряжение на выходе источника 1 минималь.но и соответствует пусковому при заданной установке мощности в системе автоматического регулирования электропривода.Линейный контактор 10, осуществляющийподачу напряжения источника 1 на входобратного 2 и инверторного 3 мостов, раэомкнут,Первоначально на управляющие переходы всех тирчсторов инверторного моста 3 и узла искусственной коммутации 4подаются отпирающие импульсы от блокауправления частотой инввртора 6. При этомчастота на выходе блока 6 минимальнаи соответствует напряжению, поступающему на вход блока 6 от задатчцка абсолютного скольжения 9, поскольку на выходе задатчика пускового режима сигналотсутствует.При подаче управляющих импульсов под. действием приложенного напряжения источника 1 включаются вспомогательные тиристоры, например, 17 и 15 и происходитпервоначальный заряд конденсатора 1325от источника напряжения 1 по следующейцепи: положительный полюс источника питания - тиристор 15 .конденсатор 13дроссель 14- тиристор 17 - фазы А иВ - тиристор 27 - отрицательный полюс30"источника питания. При этом конденсатор3.3 заряжается с полярностьк указаннойна фиг. 2 (бвэ.скобок).Через 60 электрических градусов в со.ответствии с алгоритмом управления инвер 3тором подаются отпираюшие импульсы навспомогательные тиристоры 21 и 16.Приэтом происходит перезаряд конденсатора13 до противоположно полярности по цвпи: правая обкладка конденсатора 13 тиристор,16 - диод 33 - тирисгор 21- .дроссвль 14 - левая обкладка конденсатора 13.Еще через 60 электрических градусов 4подаются отпирающие импульсы на вспомогательные тиристоры 19 и 15. Однакопоскольку цепь перезаряда конденсатора13 через тиристор 19, диод 31 и тиристор 15 разомкнута контактором 10,то конденсатор 13 вновь заряжается отисточника 1 через фазы нагрузки но цепи;положительный полюс источника питаниятиристор.15 - конденсатор 13 - дроссель14 - тиристор 19 .- фазы С и А. двигате55ля - тиристор 26 - отрицательный полюсисточника питания. При этом напряжениеисточника 1 оказывается включенным согь-.ласно с напряжением коммутирующего конденсагора, бпагоде-я чему пеовзаз д последпвго происходит до напряжения, примерно равного двойному напряжеццю нсточника 1 за вычетом потерь в контуре гере заряда. Ошсанный цикл перезаряа павгарявгся многократно, вслвдсгпцв чего устало=.вившееся напряжение па ко 1,1;:утируюп 1 вь. конденсаторе обычно в нескоч-ко раэ прв=вьтшает величину напряжения, 11 сгочника питания 3., После досг 1;.кения усгаповцвшегося напряжения па коммугпру юп 1 вм коне, двнсаторе в момент времени=. 0 (фцг, 4),выключателем.38 подшот п 11 гание на схемузнднтчцка пускового режима (фиг. 3)При Этом потенциал Очкц А скнчкомустанавливается равным разности питаю-щего наприкенця ц падения напряжения наобмотке реле 35. Згог сигнал являетсявыходным сигналом вапагчцка пусковогорежима; он зпачцгвльО црввышавг велцчину сигнала задагчцка абсолОгпо."о скольжения 9 ц, поступая через элемент выделения максимального сигнала (дцоды 40 и41 ) на вход. блока 6, определяет максимальное значение выхсдпой частоты цпвзр-тора щд, (фиг. 4),Одновременно реле 35, включ 1 цзшцсь,замыкаег цепь катушки копгакгора 10(фиг. 3). Кантакгор 10 вкпю 1 ается цсоединяет 1 чолОжцгельнц 111 полюс цсгочпцка постоянного папряжвп 11 я 1 с Одноименным Общим полюсом ПОсгОЯппОГО гокаинверторного 3 и обрн-ного 2 мостов, Ьла-;годаря этому, во-первых, собчрзются ранее Отсугствовав 1 щ 1 в цепи дг;я перезврядакоммутирующего конденсатора через диоды29, 30, 31, вс-вторых, на вход цнввргор:ного моста 3 нодавтся 11 апряженце источника 1. Инвергор всгупавг в работу ц пофазам двцгагеля начцпавг прогекагь ток,коммутация которого происходит усгой 1 ц во, поскольку прц минц 11 альпом папряжвнии источника питания 3. и максцмаль 110 й выходной частоте цнвергора коммутируемый ток нагрузки мал. Прц этом первые коммутации осуществляются повышенным напряжением конденсатора, а после нескольких перезарчдов напряленце ка ксндеп.,агоре устанавливается большцм напряжепичисточника 1 па величину, определяемую коммутируемым током нагрузки и парамвг рами элементов ком; 1 угцрующвго контура,С этого момента ц в последующем осущвствлявгся слежвппе напряжения па кон 4депсаторв .3.3 за коммутируемым гоком нагрузкц, Поскольку прц 1,0 частотасимальна, а амплитуда минимальна, томомент, развиваемый двигателем, меньше момента нагрузки (момента сопротивления) и двигатель не вращается (= 0на фиг. 4),5Пуск двигателя осуществляется благодаря тому, что контактор 10, включившись, своими размыкаюшими блок-контактами 11 вводит в цепь катушки реле 38конденсатор 36 (фиг. 3). Последний начинаег заряжаться с постоянной времени,определяемой параметрами конденсатора36 и резистора 37. С той же постояннойвремени снижаются потенциал точки А,частота на выходе блока 6, и, следовательно, частотана выходе двигателя(фиг, 4). При этом ток двигателя и развиваемый им момент плавно нарастает, ив момент времени , при частоте =д,когда момент, развиваемый двигателем,становится больше статического моментанагрузки, двигатель начинает вращатьсяи частота его вращения 1 начинает увеличиваться (фиг;4). Наклон кривой Яопределяется при этом моментом инерцииротора двигателя и нагрузки. В процессезаряда конденсатора 36 (фиг, 3) сигнал,поступающий на вход элемента выделениямаксимального сигнала 8 (фиг. 1) с вы 30хода задатчика пускового режима 12 уменьшается до нуля. После того, как этот сигнал становится меньше сигнала задатчикаабсолютного скольжения 9, на вход блокауправления частотой инвертора 6 поступа 35ег сигнал, пропорциональный частоте абсолютного скольжения, Управление частотой двигателя в процессе дальнейшего разгона осуществляется известным способом,а именно формированием частоты , путем алгебраического суммирования в блоке 6 сигналов, пропорциональных измеренной частоте ротораи заданной частоте абсолютного скольжения В частности, на фиг. 4 изображен слу 45 чай, когда частота абсолютного сколь 3 ке нияв процессе разгона двигателя ос тается постоянной и равной значению выходной частоты инверторав момент трогания двигателя.ЯВ процессе заряда конденсатора 36 напряжение прикладываемое к обмотке реле 35, снижается, реле отключается, но цепь катушки контактора 10 остается бло 55 кированной его замыкающими блок кон тактами. Возврат схемы устройства в ис ходное положение осуществляется выключателем 38. С помощью регулируемых ре 8зисгоров 37 и 39 (фиг. 3) устанавливается уровень и темп снижения выходной частоты инвергора в режиме пуска.Осушествление устойчивого частотного пуска асинхронного двигателя с помошью данного устройства возможно благодаря использованию известной специфической особенности рассматриваемого типа инвертора, состояшей в автоматическом повышении коммутационной способности инвертора при увеличении предкоммугационного тока нагрузки эа счет накопления энергии на коммутируюшем конденсаторе в процес се 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 коммутируюшем конденсаторе за изменяющимся током нагрузки. В устройстве эта задача решается од новременно двумя путями: снижением величины предкоммутационного тока на время первых коммутаций вентилей инверто ра и искусственным повышением напряже ния на коммутирующем конденсаторе к моменту подачи напряжения на вход инвертора. При этом первое. достигается благо даря увеличению на период первых коммутаций выходной частоты инвертора до мак симальной,а второе-благодаря предварительному заряду коммутирующего конденсатбра ог источника постоянного напряже-. ния при отключении одного из полюсов источника от одноименного общего полюса постоянного 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 подклю чения напряжения источника питания на напряжение заряженного согласно коммутирующего конденсатора, вследствие чего установившееся напряжение на коммути руюшем конденсаторе к моменту подачи напряжения на вход инвертора может существенно превышать напряжение источни ка питания. Иными словами, при минимальном напряжении источника питания к мо менту первой коммутации удается запасти на коммутирующем конденсаторе энергию,666621 30 9достаточную для надежной коммутации токов нагрузки, соответствующих этому минимальному уровню напряжения источника,питания и установленной максимальной выходной частоте инвертора при неподвижномдвигателе,Таким образом, устройство позволяетобеспечить устойчивый пуск асинхронногодвигателя без увеличения установленноймощности элементов инвергора, примене Ония дополнитечьного источника и цЖейподзаряда, а также без изменения алгориььма управления тиристорами инвертора,что,приводит к повышению КПЮ и надежностиэлектропривода, а также снижению его 15массо-габаритных показателей и стоимости. Формула изобретения 10подключен к датчику угловой скорости электродвигателя, а выход - к инверторному мосту и узлу искусственной коммутации, о т л и ч а ю ш е е с я тем,что, с целью снижения массо-габаритных показателей и повышения надежности работы устройства, в него введены последовательно включенные датчик состояния коммутирующего элемента, задагчик пускового режима и элемент выделения макСимального сигнала, второй вход которого соединен с задатчиком абсолютного скольжения, а выход - с блоком управления часто той инвертора, при этом обьединенные выводы постоянного тока инверторного и.обратного мостов и одноименный вывод постоянного тока узла искуссгвенной комму тации подключен к разным зажимам коммутирующего элемента.Устройство для управления асинхрон ным электродвигателем, выполненное на базе автономного инвертора напряжения, подключенного к источнику постоянного напряжения регулируемой амплитуды через коммутирующий элемент, содержащее ыверторный мост, обратный мост,узел искусствэинбй кЬммутации и блок управления частотой инвертора, один вход которого Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1., Сандлер А. С. и Гусяцкий Ю. Х. Тиристорные инвергоры с широтно импульсной модуляцией,- М.,"Энергия," 1968, с. 10.2, Патент Великобритании 1055855, кл. Н 2 Г, 1965.3. Журнал Электрическая и тепловодная тягаф,8, 1970, с. 36-39., ул. Проектна тент, г. У илиал ПП 04/43. ЦНИИПИ по деда 113035, М