Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения

/14, 1980.393, кл, Н 02 Р 9 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Сибирский завод кпривода "Сибстанкоэл(56) Авторское свидетеМ 783934, кл. Н 02 Р 3Патент США В 443 Авторское свидетельство СССР М 1023597, кл. Н 02 Р 3/22, 1983, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕК 1782332 А ТРОДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ(57) Использование: регулирование электро- приводов переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит асинхронный электродвигатель 1, звено постоянного тока 2, образованное выпрямителем 3 иС-фильтром с конденсатором 4 на выходе, автономный инвертор 5, подключенный своими силовыми входами к конденсатору 4, а выходами к асинхронному электродвигателю .1, инвертор 6, .ведомый сетью, подключенный силовыми входами к конденсатору 4, а силовыми выходами к питающей сети переменного тока, первый компаратор 7, датчик 8 напряжения на конденсаторе, выход которого подключен к вхо1782332 ду первого компаратора 7. а вход - к конденсатору 4, второй компаратор 9, датчик 10 напряжения питающей сети, выход которого подключен ко входу второго компаратора 9, а вход - к питающей сети переменного тока, Датчик 11 частоты вращения, сумматор 12, блок умножения 13, блок управления 14 включены последовательно, выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам автономного инвертора 5, задатчик 15 частоты вращения подключен своим выходом к сумматору 12, а управляющим входом к выходу второго компаратора 9, элемент И 16 подключен своими входами к выходам первого 7 и второго 9 компараторов, а выходом - ко второму входу блока умножения 13. 2 ил,Изобретение относится к области элы:,- Недостаток этой системы для регулиротротвхники, в частности, к регулируемым вания асинхронного двигателя заключается электроприводам переменного тока; в том, что она не обеспечивает управлениеИзвестно устройство для управления торможением асинхронного двигателя при электродвигателем, содержащее звено по отключении питающей сети переменного стоянного тока, на вйходе которого включен тока.конденсатор, к выводам которого подключе- Наиболее близким по технической сущны входы ведомого сетью инвертора и авто- йости и выбранным в качестве прототипа намного инвертора с блоком управления, является устройство для автоматического выходы которых предназначены для под управлейия асинхронным двигателем в реключения соответственно к питающей сети жиме рекуперативного торможения, содерчерез трансформатор и электродвигателю, жащее звено постоянного гока, на выходе . датчик найряжения на конденсаторе выхо-которого включен конденсатор, к выходам дом подключенный ко входу компаратора, которого подключены входы ведомого сумматор, входы которого подключены к со сетью инвертора и автономного инвертора ответствующим выходам задатчика идатчи- с блоком управления, выходы которых предка частоты вращения ротора, а выход назначены для подключения соответственсумматорасоединенсовходомблокауправ. но к питающей сети и электродвигателю, "ления, . датчики напряжения на конденсаторе и пиНедостаток известного устройства для 20 тающей сети, выходами подключенные к управления электродвигателем заключает- входам соответствующих компараторов, ся в том; что оно не обеспечивает управле- сумматор, входы которого подключены ксоние торможением электродвигателя при ответствующим входам задатцика и датчика отключении питающей сети переменно о частоты вращения ротора, выход сумматора .тока, т.к. нет условий для функционирова соединен со входом блока управления, выния инвертора ведомого сетью, с помощьюход первого компаратора через последовакотороговрежимерекуперативноготормо-тельно включенные элемент НЕ, триггер, женил запасенная кинетическая. энергия первый элемент задержки и схему управлевозвращается в питающую сеть.: . нияинвертором ведомым сетью соединен с.Известна система регулирования асин управляющими входами инвертора ведомохронного двигателя, содержащая Звено пО- го сетью, выход второго компаратора через стоянного тока, на выходе которого включен последовательно включенные триггер, втоконденсатор, к выводам которого подклю- рой элемент задержки, блок управления вычен вход автономного инвертора с блоком прямителем звена постоянного тока управления, выходы которого предназначе соединен с управляющими входами выпряны для подключения к электродвигателю, мителя.датчик напряжения на конденсаторе, выхо- . Недостаток такого устройства для автодом йодключенйога ко входу компаратора, матического управления асинхронным двисумматор, входы которого подключены к со- гателем в режиме торможения заключается ответствующим выходамзадатчика и датчи в том, что оно не обеспечивает управление ка частоты вращения ротора, входы торможением асинхронного двигателя при: ведомого сетью инверторз череъ ключи под-, отключении питающей сети переменного ключены к конденсатору, а выходы к питаю-тока, 8 процессе торможения кинетическая щей сети, ко входам блока управленйя энергия вращающихся масс асинхронного подключены выход сумматора и первого 45 двигателя и связанного с ним механизма компаратора, преобразуется с помощью автономного инвертора и конденсатора в электрическую.Преобразование энергии сопровождается возрастанием напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения, Если разность амплитудного значения напряжения в питающей сети и напряжения на конденсаторе превысит допустимую величину, то включается инвертор ведомый сетыю и накопленная в конденсаторе энергия передается в сеть, напряжение на конденсаторе таким образом в процессе рекуперативного торможения поддерживается на определенном уровне, который является допустимым для всех элементов схемы. Если до начала процесса торможения илй во времяпроцесса торможения происходит отключение питающей сети. то инвертор ведомый сетью не в состоянии функционировать, поэтому для . исключения увеличения напряжения на конденсаторе сверх допустимых пределов происходит блокировкауправления автономным йнвертором и асинхронный двигатель тормозится за счет статических моментов сопротивления, Поэтому время торможения и тормозной путь становятся неопределенными, что является недопусти мым по правилам техники безопасности иусловиям работы некоторых механизмов.Таким образом, создание устройстваавтоматического управления асинхроннымэлектродвигателем в режиме рекуперативного торможения, обеспечивающего режим торможения в аварийных ситуациях, вызванных отключением сети или отказами инверторов ведомых сетью, является актуальной технической задачей.Целью изобретения является повышение надежности путем обеспечения регулируемого . режима торможения при отключении питающей сети.Поставленная цель достигается тем, чтов устройство автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выходе которого включен конденсатор, к выводам которого подключены входы ведомого сетью инвертора и автономного инвертора с блоком управления, выходы которых предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю, датчики напряжения на конденсаторе и питающей сети, выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход умножения соединен с выхо дом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, выход блока умножения соединен со входом блока управления,.выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.При наличии напряжения в питающей сети переменного тока на выходе элемента И формируется сигнал такого уровня, при котором в блоке умножения реализуется функция умножения на плюс единицу. Поэтому в контуре, образованном автономным 15 инвертором, асинхронным электродвигателем, датчиком частоты вращения ротора, сумматором, блоком умножения и блоком управления реализуется отрицательная обратная связь по частоте. вращения. В этом 20 случае при рекуперативном торможении асинхронного электродвигателя возможен режим рекуперации энергии в питающую сеть переменного тока, который осуществляется за счет двухступенчатого преобразования энергии: кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора (с помощью автономного инвертора) и из энергии электрического полякойденсатора в энергию системы трехфазных токов и напряжений (с помощью инвертора ведомого 30 сетью). При отключении напряжения в пита. ющей сети инвертор ведомый сетью не может функционйровать, поэтому вторая ступень преобразования неосуществима. 35 Вместо нее в предлагаемом устройстве реализуется преобразование эйергии электрического поля вновь в кинетическую. Это достигается за счет того, что по сигналу второго компаратора задатчик частоты 40 вращения формирует задание нулевой частоты вращения, а выходные сигналы датчика напряжения на конденсаторе и датчика напряжения питающей сети с помощью первого и второго компараторов формируют на 45 выходе элемента И сигнал другого уровня,которым блок умножения переводится в режим умножения на минус единицу. В упомянутом контуре изменяется характер обратной связи (она становится положиникает двигательный режим и. у асинхронного электродвигателя возрастает частота вращения ротора. По мере потребления электрической энергии, запасенной в конденсаторе звена постоянного тока, напряжение на нем снижается, что фиксируется первым компаратором, передаточная функция вход-выход которого гистерезисного типа. Изменение состояния первого компаратора приведет к изменению выход 50 тельной) и вместо режима торможения воз1782332 10 15 ду блока умножения 13 35 аналогично известному 50 55 7ного сигнала элемента И, которым в свою очередь с помощью блока умножения в контуре восстанавливается отрицательная обратная связь и вновь возникает генераторный режим, т.е. преобразование кинетической энергии в энергию электрического поля конденсатора. Если вэтом случае не произойдет полное преобразование всей накопленной кинетической энергии, т.е, частота вращенйя не достигнет нулевого значения, то при возрастании напряжения на конденсаторе до верхнего допустимого значения первый. компаратор вновь изменит свой выходной сигнал и возникнет двигательный реким, Преобразование энергии электрического поля конденсатора в кинетическую энергию сопровождается потерями в автономном инверторе, асинхронном электродвигателе имеханизме привода, поэтому значение частоты вращения в конце йнтервала с двигательным режимом будет меньше; чем значение:частоты вращения, с которого было начато торможение, или чем значение частоты в конце предыдущего интервала с двигательным режимом, Это обстоятельство свидетельствует о том, что в среднем происходит снижение частоты вращения и темп снижения частоты вращения превосходит темп, когда частота вращения уменьшается только вследствие воздействия статического момента сойротивления, т,е; энергия кроме потерь в механизме привода дополнительно расходуется на потери в электродвигателе и автономном инверторе, а также в блоке вторичного источника питания-, который должен быть подключен . своим. силовым входом к конденсатору звена постоянного тока, а выходами ко всем блокамустройства обеспечивая условия для их нормального функционирования.Таким образОм, дополнение известных признаков устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения новыми, расширяет его функциональнь 1 е возможности за счет обеспечения режима торможения асинхронного электродвигателя при отключении питающей сети,При энализе известных технйческих решений признаков, сходных с Отличительными признаками заявленного объекта изобретения, не обнаружено..Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями,На фиг, 1 показана функциональная схема устройства автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения; на фиг, 2 -вариант исполнения задатчика частоты вращения.Устройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения содержит асинхронный электродвигатель 1,звено постоянного тока 2, образованное выпрямителем 3 и ЕС-фильтром с конденсатором 4 на выходе, автономный инвертор 5, подключенный своими силовыми входами к конденсатору 4, а выходами к асинхронному электродвигателю 1, инвертор 6 ведомый сетью, подключенный силовыми входами к конденсатору 4, а силовыми выходами к питающей сети переменного тока, первый компаратор 7, датчик 8 напряжения на конденсаторе, выход которого подключен ко входу первого компаратора 7, а вход - к конденсатору 4, второй компаратор 9; дат чик 10 напряжения питающей сети, выход которого подключен ко входу второго компаратора 9, а вход - к питающей сети переменного тока. Датчик 11 частоты вращения,сумматор 12, блок умножения 13 блок управления 14 включены последовательно, выходы блока управления 14 подключены к управляющим входам автономного инвертора 5, задатчик 15 частоты вращения подключен своим выходом к сумматору 12, а 30 управляющим входом ко второму компаратору 9, элемент И 16 подключен своими входами к выходам первого 7 и второго 9. компараторов, а выходом - ко второму вхоВ качестве асинхронного электродвигателя 1 может быть использован асинхронный двигатель серии 4 А,Выпрямйтель 3 может быть реализован по известной схеме Ларионова на неуправляемых вентилях, либо по такой ке схеме на управляемых вентилях, если необходимабыстродействующая защита от перегрузки,которая реализуется за счет искусственнойкоммутацйи вентилей в выпрямителе 3,45 Г-образный С-фильтр звена постоянного тока 2 образован индуктивностью и конденсатором 4 и может быть выполнен Автономный инвертор 5 целесообразно выполнить по схеме широтно-импульсного преобразователя.Инвертор 6 ведомый сетью может быть выполнен по схеме трехфазного управляемого тиристорного инвертора, работающего на входную питающуюсеть переменного тока,Датчик напряжения 8 может быть реализован по схеме дифференциального усилителя. Входами датчика напряжения являютсявходы Ос 2 прямой и ОС 1 инверсный дифференциального усилителя, а выход его является выходом датчика относительнонулевого потенциала схемы управления приводом.В качестве компэратора 9 может быть использована серийно выпускаемая микросхема К 554 САЗ с соответствующей схемой включения. Компэратор обеспечиваетсравнвние входного сигнала с опорным сигналом, определяющим уста вку срэ баты вания компаратора,Компаратор 7 может быть выполнен по схеме регенераторных компараторов на базе операционного усилителя. Напряжениеверхнего и нижнего порога переключенияопределяются по формулам таблицы вышеуказанной литературы.Датчик напряжения питающей сети 10реализуется по схеме трехфазного или шестифазного выпрямителя с развязывающим согласующим трансформатором на входе,В качестве датчика 11 частоты враще ния может быть использован тахогенератор ТТ 1-0,03-2-АТ (технические условия1 АТ.569,050-ДУ). Сумматор 12 как элемент сравнения замкнутого по скорости электро- привода обычно выполняют в виде ПИ-регулятора по схеме на базе операционного усилителя с подьемом в частной характеристике коэффициента передачи в области нижних частот.В качестве блока умножения 13 должно быть применено устройство умножения аналогового сигнала на дискретный.В качестве блока управления 14 можно использовать функциональный узел следящей системы злектроприводэ, обеспечивающий необходимые преобразования сигналов. характерные для управленияэлектродвигателем переменного токаЗадатчик 15 частоты вращения может быть выполнен по схеме приведенной на фиг, 2. При наличии напряжения в питающей сети реле 17 обесточено и выход потенциометра 18 подключен ко входу сумматора12. В этом случае величина задающего сигнала определяется положением движка потенциометра 18 и напряжением источников питания 19 и 20, в качестве которых могутбыть использованы аккумуляторы или выходы блока вторичных источников питания,которые обеспечивают собственные нужды всех элементов схемы устройства в целом.При отключении сети второй компаратор 9переключается, формирует на своем выходе сигнал лог, 1, которым включается реле 17, а его контакт подключает вход сумматора 12 к шине нулевого потенциала, что эквивалентно заданию нулевого значения частоты вращения.5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 В качестве элемента И 16 может бытьиспользована микросхема типа К 155.Предложенное устройство управления врежиме торможения работаетследующимобразом,Для перехода к режиму торможения задатчик 15 частоты вращения формирует насвоем выходе нулевой потенциал, при этомна выходе сумматора 12 выходной сигнализменяет свою величину и полярность, Таккак исходное состояние компараторов 7 и 9и выходной сигнал элемента И 16 остаютсянеизменными, то блок умножения 13 пере-дает входной сигнал на выход без изменения величины и полярности, а блокомуправления 14 формируется система управляющих сигналов, переводящая асинхронный электродвигатель 1 и автономныйинвертор 5 из двигательного режима работы в генераторный, При этом изменяетсянаправление и величина потребляемого автономным инвертором 5 тока и начинаетсязаряд конденсатора 4, сопровождающийсявозрастанием напряжения на нем, Если впитающей сети переменного тока величинанапряжения находится в допустимых пределах, то при определенной величине напряжения на конденсаторе 4 включитсяинвертор 6 ведомый сетью и создадутся условия для рекуперации энергии в питающуюсеть,Если в питающей сети напряжениеуменьшится сверхдопустимых пределов, тоинвертор 6 ведомый сетью, не может нормально функционировать и он блокируется,а датчик 10 напряжения питающей сети приэтом выдает сигнал, меньший уставки порога переключения второго компаратора 9, последний переключается и формирует насоответствующем входе элемента И 16 разрешающий уровень (лог, 1). Блокировка инвертора 6 ведомого сетью приводит квозрастанию напряжения на конденсаторе4 до верхнего предельно допустимого значения, которое фиксируется первым компаратором 7 из-за соответствующегоизменения выходного сигнала датчика 8 на.пряжения на конденсаторе 4, Выходной сигнал первого компаратора 8 формирует навтором входе элемента И 16 лог. 1 совпадение разрешающих уровней на входах элемента .И 16 изменяет его выходнойсигнал, который, воздействуя на блокумножения 13, переводит его в режим умножения на минус единицу, что эквивалентноизменению полярности выходного сигналаблока умножения 13 без изменения величины этого сигнала, а в устройстве - переходуот генераторного режима к двигательному.В двигательном режиме начинается процесс потребления энергии электрического поля, запасенной в конденсаторе 4, который будет сопровождаться его разрядом и уменьшением напряжения. При снижении напряжения и пропорционального ему выходного сигнала датчика 8 напряжения на конденсаторе 4 до порога обратного переключения, определенного гистерезисной характеристикой первого компаратора 7, на выходе первого компаратора 7 формируется лог. О. Лог. 0 будет сформирован на выходе элемента И 16 и, как следствие, будет вновь задан генераторный режим, т.к. блок умножения 13 не изменяет в этом случае выходной сигнал сумматора 12 ни по величине, ни по знаку, а в контуре асинхронный электродвигатель 1- датчик 11 частоты вращения - сумматор 12 - блок умножения 13 - блок управления 14 - автономный инвертор 5 обратная связь по частоте вращения будет отрицательной, Если остаток запасенной кинетической энергии будет меньше энергии, затраченной на потери и энергии, которая будет запасена в конденсаторе 4 при напряжении на нем . меньшем верхнего значения предельно допустимого напряжения, то произойдет снижение частоты вращения до нулевого значения и торможениезакончится, Если запасенная кинетическая энергия окажется больше, то напряжение на конденсаторе 4 будет возрастать и произойдет переход в двигательный режим, а затем в генераторный. Процессы перехода из генераторного режима в двигательный и вновь в генераторный будет происходить до полной остановки двигателя. Режим торможения асинхронного двигателя возникает принудительно при отключении напряжения питающей сети. Второй компаратор 9 в этом случае формирует сигнал лог, 1, который воздействует на управляющий вход задатчика 15 частоты вращения и вызывает в нем формирование нулевой частоты вращения, по которому происходят описанные выше процессы.По сравнению с прототипом заявляемое устройство автоматического управле ния асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения обладает большими функциональными возможностями за счет обеспечения режима торможения при отключении питающей сети, что достигается введением блока умножения и элемента И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соединен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам первого и второго компараторов, а выход блока умножения соединен со входом блока управления, выход второго компара.- тора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения Формула изобретенияУстройство для автоматического управления асинхронным электродвигателем в режиме рекуперативного торможения, содержащее звено постоянного тока, на выхо 20 де которого включен конденсатор, к предназначены для подключения соответственно к питающей сети и электродвигателю датчики напряжения на конденсаторе и пи 30 тающей сети. выходами подключенные к входам соответствующих компараторов, .сумматор, входы которого подключены к соответствующим выходам задатчика и датчика частоты вращения ротора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения надежности путем обеспечения регулируемого режима торможения при отключении питающей сети, в него введены блок умножения и элемент И, а задатчик частоты вращения снабжен управляющим входом, при этом первый вход блока умножения соеди 40 нен с выходом сумматора, второй вход блока умножения соединен с выходом элемента И, входы которого подключены к выходам 45 первого и второго компараторов, выход блока умножения соединен с входом блока управления, выход второго компаратора соединен с управляющим входом задатчика частоты вращения.50 выводам которого подключены входы ведо мого сетью инвертораи автономного инвертора с блоком управления, выходы которых1782332Составитель В.Гробов Редактор: . :Теехред М,Моргентал . Корректор И,Муска Заказ 4292 . Тираж - . . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород; ул.Гагарина, 10