Устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронного электродвигателя

(21) (22) (46) (72) (71) Тал ро ыми ы,отновходы и ветствод(53) т е 1975.СССР ости кл У 78 Н 02 ю с г д вы- .дом щ одключе ходу интегр усилителя. тво по п.1,я тем, что нен на оперотли пороговыйационном лемент выпо нте, первомдной нелирактеристик вход потентавки являе мет ходомпотенцио ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИД 3629060/2429.07.8307,09.84, Бюп. У 33А.Ф.Звягин и А.М.КолокопкПроизводственное объединеинский электротехническийм. М.И.Калинина"62-83:621,313,323-57 (0881. Патент США Р 4012679,02 Р 1/50, НКИ-167,Авторское свидетельство319, кл. Н 02 М 5/297;Р 1/50, 1980,(54) (57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТОТНОГОПУСКА И СИНХРОНИЗАЦИИ С СЕТЬЮ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ, содержащеестатический преобразователь частотыс выходными выводами, служащими дляподключения к синхронному электродвигателю, шунтирующий выключатель,управляющий вход которого соединенс узлом выдержки включенияа коммутирующие цепи предназначены для подключения синхронного электродвигателя к сети, систему управления преобразователем частоты, составленнуюиз узла контроля совпадения частоты,Фазы и среднего значения амплитудынапряжений на шинах сети и выходныхвыводах преобразователя частоты, регулятор выходной частоты преобразователя, входом соединенного с выходом Фазочастотного дискриминатора,составленного из распределителя импульсов, блока управления распределителем импульсов, первого и второгокоммутаторов, входы первого коммутатора предназначены для подключенияк шинам сети, выход соединен с однимвходом блока управления, другой вход которого подключен к вых фазового дискриминатора, вход го коммутатора связаны с выхо выводами преобразователя част выход является выходом фазоча го дискриминатора, управляющи коммутаторов подключены к соо вующим выходам распределителя, о л и ч а ю щ е е с я тем, что, с лью упрощения и повышения надежн устройства, указанный узел контр составлен из последовательно вкл ченных двухвходового интегратора разнополярными входами, порогово элемента и одновибратора, первый вход интегратора подключен к вых первого коммутатора, второй вход к выходу второго коммутатора, а ход одновибратора соединен с вхо узла выдержки включения шунтирую выключателя2. Устройство по п,1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что двухвходовый интегратор состоит из последовательно включенных инвертирующего опе рационного усилителя и интегрирующего операционного усилителя, вход инвертирующего операционного усилителя является первым входом двухвходового интегратора, второй вход которого усилителе, опорном эле и втором элементах с ди нейной вольт-амперной х и потенциометре уставки порогового элемента, в1112 51 б метра уставки соединен с входом опорного элемента, выход которого черезпервый элемент с.диодной нелинейнойвольт-ампер ной характеристикой соединен с инвертирующим входом операци.онного усилителя и через второй элеИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в статических преобразователях для частотного пуска, регулирования оборотов и для синхронизации с сетью, 5 мощных и сверхмощных синхронных машин, например двигатель-генераторов гидроаккумулирующих станций и синхронных приводов компрессоров, с воэможностью переключения указанных синхронных машин в сеть переменного тока, в частности в сеть, питающую преобразователь.Известно устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронного двигателя, содержащее пусковой тиристорный источник и тиристорный источник заданного режима питания, которые подключаются к электроприводу через отдельные выключатели, управляемые узлом контроля, состоящего из трехвходовой ячейки И, на которую подаются сигналы сравнения по фазе, напряжению и частоте с выходов соответствующих блоков 1,Недостатками такого устройства являются его сложность и низкая технологичность, так как узел контроля содержит три элемента сравнения по фазе, напряжению и частоте, каждый из которых требует настройки и вносит погрешность, что снижает точность работы узла контроля. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронного электродвигателя, содержащее статический преобразователь частоты с входными выводами и выходными выводами, пред 40 назначен;ыми для подключения к синхронному электродвигателю, управляющий вход которого соединен с узлом выдержки включения, а комму"45 мент с диодной нелинейной вольт-амперной характеристикой - с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходомпорогового элемента. тирующие цепи предназначены длявключения в с ет ь эл ектродвигат еля,систему управления преобразователем,содержащую узел контроля совпадениячастоты, фазы и среднего значенияамплитуды напряжений на шинах сетии выходных выводах преобразователячастоты, регулятор выходной частотыпреобразователя, входом соединенныйс выходом фазочастотного дискриминатора, составленного из распределителяимпульсов, блока управления распределителем, первого и второго коммутаторов, входы первого коммутатора связаны и предназначены для подключенияк шинам сети, выход соединен с однимвходом блока управления распределителем, другой вход которого подключен к выходу фазового дискриминатора, входы второго коммутатора связаны с выходными выводами преобразователя частоты, выход является выходом фазочастотного дискриминатора,управляющие входы коммутаторов подключены к соответствующим выходамраспределителя 121. Недостатками известного устройства являются его сложность, нетехнологичность, низкие точность и надежность работы из-за особенностей выполнения узла контроля совпадений частоты, фазы и среднего значения амплитуды напряжений на шинах сети и выходных выводах. Это связано с гем, что узел контроля состоит из грех самостоятельных узлов сравнения по частоте, фазе и напряжению, кажцый из которых представляет собой самостоятельный блок, с большим количеством электрорадиоэлементов, требует регулировки и настройки, что снижает точность и надежность его работы и всего устройства в целом.1112516 40 45 5055 Целью изобретения является упрощение и повышение надежности,Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве для частотногопуска и синхронизации с сетью синхронного электродвигателя, содержащемстатический преобразователь частотыс выходными выводами, предназначенными для подключения к синхронномуэлектродвигателю, шунтирующий выключатель, управляющий вход, которогосоединен с узлом выдержки включения,а коммутирующие цепи предназначеныдля подключения к сети синхронногоэлектродвигателя, систему управления 5преобразователем частоты, составленную из узла контроля совпадения частоты,фазы и среднего значения амплитудынапряжений на шинах сети и выходныхвыводах преобразователя частоты,регулятора выходной частоты преобразователя, входом соединенного с выходом Фазочастотного дискриминатора,составленного из распределителя импульсов, блока управления распредели телем импульсов, первого и второгокоммутаторов, входы первого коммутатора связаны с шинами сети, выходсоединен с одним входом блока управления распределителем, другой выходкоторого подключен к выходу фазовогодискриминатора, входы второго коммутатора связаны с выходными выводамипреобразователя частоты, выход является выходом фазочастотного дискриминатора, управляющие входы коммутато- З 5ров подключены к соответствующимвыходам распределителя импульсов,узел контроля составлен из послсдовательно включенных двухвходового интегратора с разнополярными входами,порогового элемента и одновибратора,первый вход интегратора подключен квыходу первого коммутатора, второйвход - к выходу второго коммутатора,а выход одновибратора соединен с входом узла выдержки включения шунтирующего выключателя. Двухвходовый интегратор может быть составлен из последовательно включенных инвертирующего операционного усилителя и интегрирующего операционного усилителя, вход инвертирующего операционногоусилителя является первым входом двухвходового нтегратора, второй вход которого одключен к входу интегрирующего операционного усилителя. При этом пороговый элемент выполнен на операционном усилителе, опорном элементе, первом и втором элементах с диодной нелинейной вольтамперной характеристикой и потенциометре уставки, вход потенциометра уставки является входом порогового элемента, выход потенциометра уставки соединен с входом опорного элемента, выход которого через первый элемент с диодной нелинейной вольт-амперной характеристикой соедианен с инвертирующим входом операционного усилителя и через второй элемент с диодной нелинейной вольт-амперной характеристикой - с неинвертирующим входом операционного усилителя, выход которого является выходом порогового элементаНа фиг. 1 представлена принципиальная электрическая блок-схема устройства для частотного пуска и синхронизации с сетью синхронного электродвигателя, на фиг. 2 - диаграмма его работы. Устройство для частотного пуска и синхронизации с, сетью синхронного электропривода содержит статический преобразователь 1 частоты с входными выводами 2 и выходными выводами 3, шунтирующий выключатель 4, управляющий вход которого соединен с узлом 5 выдержки включения, а коммутирующие цепи предназначены для включения на сеть 6 электродвигателя 7, подключенного к выходным выводам 3 преобразователя 1 частоты. Система 8 управления преобразователем 1 частоты содержит узел 9 контроля совпадения частоты, фазы и среднего значения амплитуды напряжений на шинах сети 6 и выходных выводах 3 преобразователя частоты, регулятор 10 выходной частоты преобразователя 1, входом 11 соединенный с выходом 12 фазочастотного дискриминатора 13, состоящего из распределителя 14 импульсов, блока 15 управления распределителем 14 импульсов, первого коммутатора 16 и второго коммутатора 11, входы 18 первого коммутатора 16 связаны с шинами сети 6, например, через трансформатор 19, выход 20 - с одним входом 21 блока управления распределителем 15 импульсов, другой вход 22 которого подключен к выходу 23 фазового дискриминатора 24, Входы 25 и 26 фазового дискриминатора могутподключат ьс я либо к шинам с ети ивыходным выводам, либо к выходамсоответственно первого и второго коммутаторов.Входы 27 второго коммутатора 17 5связаны с выходными выводами 3 преобразователя 1, например, через трансформатор 28, выход 29 - с выходом12 фазочастотного дискриминатора 13,управляющие входы 30 коммутаторов 1016 и 17 подключены к соответствующимвыходам 31 распределителя 14 импульсов,Узел 9 контроля выполнен из последовательно включенных двухвходового 15интегратора 32 с разнополярными входами 33 и 34, порогового элемента35 и одновибратора 36, первый вход33 интегратора 32 подключен к выходу20 первого коммутатора 16, второй 20вход 34 - к выходу 29 второго коммутатора 17, а выход 37 одновибратора36 соединен с входом 38 узла 5 выдержки включения шунтирующего выключателя 4. 25Двухвходовый интегратор 32 можетсостоять, например, из последовательно включенных инвертирующего 39 иинтегрирующего 40 операционных уси 30лителей. Вход 41 инвертирующего операционного усилителя соединен с первым входом 33 двухвходового интегратора 32, второй вход 34 которогоподключен к входу 42 интегрирующегооперационного усилителя 40.Пороговый элемент 35 может бытьвыполнен, например, на операционномусилителе 43, первом и втором элементах 44 и 45 с диодной нелинейнойвольт-амперной характеристикой и по 40тенциометре 46 уставки, вход 47 потенциометра уставки подключен квходу 48 порогового элемента 35,выход - к входу опорного элемента49, выход которого через первый элемент 44 с диодной нелинейной вольтамперной характеристикой соединен синвертирующим входом 50 операционного усилителя 43 и через второй элемент 45 с диодной нелинейной вольтамперной характеристикой - с неинвертирующим входом 51 операционногоусилителя 43, выход 52 которогоподключен к выходу 53 пороговогоэлемента 35. 55Ограничение диапазона измененияугла управления, формируемого каналом 15 управления, может осуществляться блоком 54 ограничения,синхронизируемым выходным сигналомвторого коммутатора 17. Регулирование возбуждения синхронного двигателя осуществляется регулятором 55возбуждения.Собственно преобразователь частоты может состоять, например, изуправляемого выпрямителя 56 и инвертора 57 тока. Регулирование токана выходе выпрямителя осуществляетсярегулятором 58 тока, а регулированиенапряжения - регулятором 59 напряжения, Управление выпрямителем и инвертором осуществляется блоками 60фазового управления.На фиг. 2 приняты следующие обозначения: 61 - напряжение на выходепервого коммутатора 16; 62 - напряжение на выходе второго коммутатора17, 63 - напряжение на выходе интегратора 32, 64 - напряжение навыходе порогового элемента 35; 65напряжение на выходе одновибратора36, 66 - напряжение на выходе узла5 выдержки включения,Устройство работает следующим образом.После подачи питающих напряженийна систему 8 управления преобразователем 1 и включения силового напряжения на входные выводы 2 преобразователя и шины сети 6, на питание откоторой необходимо переключить электродвигатель 7, система 8 управленияпреобразователем вырабатывает последовательность управляющих команд,обеспечивающих начальный разворотэлектродвигател . 7 и его частотныйразгон до заданных оборотов любымизвестным способом, например засчет обратной связи по напряжениюна двигателе,Для переключения электродвигателя на питание от сети переменноготока его обороты увеличивают досинхронных, при этом выходной сигналфазочастотного дискриминатора 13обеспечивает синхронизацию регулятора 10 выходной частоты преобразователя с частотой сети переменного то-ка. В установившемся режиме частота напряжения на шинах сети 6 и частота напряжения на выходных выводах 3 преобразователя совпадают. Уменьшение фазового сдвига межлу этими напряжениями огуществляется Фазоным50 55 дискриминатором 24, а выравниваниесреднего значения напряжений - либособственным регулятором 55 возбуждения синхронного электродвигателя,либо специальным регулятором системы 8 управления.Для переключения электродвигателя 7 на питание от сети с минимальными переходными токами необходимо,чтобы частота, фаза и амплитуда напряжений, замыкаемых шунтирующимвыключателем 4, полностью совпадали,Сравнение шунтируемых выключателей4 напряжений по частоте, фазе иамплитуде осуществляется узлом 9контроля, который работает следующим образом.При синхронных с сетью 6 переменного тока оборотах электродвигателя, равенстве напряжений на выходепреобразователя 1 и шинах сети 6и нулевом фазовом сдвиге между этиминапряжениями на входы 33 и 34 интегратора 32 поступают два одинаковыхнапряжения 61 и 62 (фиг,2),мгновенные значения которых без учета узлакоммутации в выходном напряжениипреобразователя полностью совпадают.Так как эти сигналы подаются навход 42 интегрирующего операционногоусилителя 40 с разными знаками, тонапряжение 63 на его выходе 48 малои не превышает напряжения опорногоэлемента 49, В этом случае на выходе53 порогового элемента 35 устанавливается нулевой потенциал 64, а навыходе одновибратора 36 - единичныйпотенциал 65, что обеспечивает работу задающего элемента (например,заряд конденсатора) узла 5 вьдержкивключения, Если режим синхронных исинфазных оборотов электродвигателяпри равенстве напряжений на пп 1 нахсети 6 и напряжения на выходах 3преобразователя 1 сохраняетсядостаточно долго (вьдержка определяется постоянной времени задающегоэлемента узла 5 вьдержки включения),то на выходе последнего вырабатывается напряжение 66 на включение шунтирующего выключателя 4 и отключение (при необходимости) преобразователя 1, например, по блок в контактшунтирующего выключателя 4,При синхронных, но не синфазных с сетью переменного тока оборотах электродвигателя 1, мгновеюп е знаепия напряжений на входе 42 интегри 5 10 15 20 25 30 35 40 45 рующего операционного усилителя 40 не равны, а отличаются на некоторую величину, что приводит к увеличению по абсолютной величине напряжения на выходе интегратора 32Когда это напряжение становится больше напряжения пробоя опорного элемента 49, оно, в зависимости от его знака, поступает на один из входов операционного усилителя 43 порогового элемента 35, что приводит к изменению полярности сигнала на его выходе 53 и запуску одновибратора 36, выходной сигнал которого устанавливает в исходное состояние задающий элемент узла 5 вьдержки включения.При синхронных и синфазных с сетью переменного тока оборотах электродвигателя 7, но разных по амплитуде напряжениях на шинах сети 6 и выходах 3 преобразователя на входе 42 интегрирующего операционного усилителя 40 Формируется разнополярный сигнал, что приводит к появлению на выходе 48 интегратора 32 пульсирующего напряжения, амплитуда которого определяется постоянной времени интегратора и величиной разности входных напряжений. Потенциометр 46 уставки совместно с опорным элементом 49 определяет допустимый уровень напряжения на выходе интегратора 32, который не вызывает переключения порогового элемента 35 и, следовательно, срабатывания одновибратора, блокирующего узел 5 выдержки включения.Диаграммы напряжений 61-66 (фиг.2) показывают напряжения на входе и выходе интегратора 32, выходах порогового элемента 35, одновибратора 36 и узла 5 выдержки включения при одинаковых по амплитуде синхронных и синфазных, синхронных, но не синфазных напряжениях на шинах сети 6 и выходных выводах 3 преобразователя, а также при синфазных, но различных по амплитуде напряжениях. Таким образом, предлагаемый узел контроля в одном элементе-интеграторе 32 осуществляет сравнение мгновенных значений частоты, фазы и амплитуды двух различных трехфазных напряжений - на шинах сети переменного тока и выходных выводах преобразователя, что значительно упрощаетузел контроля (один элемент сравнения) и его настройку, повьнпает тех-"нологичность изготовления. Отсутст 1112516вие в цепи сравнивающего элемента, фильтров и узлов с большой инерционностью обеспечивает высокую точность и быстродействие контроля совпадения по частоте, фазе и амплитуде шунтируемых выключателей 4 напряжений и, следовательно, высокую надежность его работы, Потенциометр 46 уставки позволяет легко учитывать наличие пульсаций напряжения на выходе интегратора 32, связанных с несинусоидальностью напряжения на выходе преобразователя, что, в свою очередь, позволяет отказаться от громоздких и сложных трехфазных фйбьтров в цепи узла контроля, Одно- вибратор 36, расширяя выходной импульс порогового элемента 35, блокирует на определенное время работу узла 5 выдержки включения даже при единичном срабатывании порогового элемента, что дополнительно повышает надежность работы узла 9 контроляВ изобретении обеспечивается повышение точности и надежности контроля совпадения частоты, фазы и амплитуды напряжений на шинах сетипеременного тока и выходных выводахпреобразователя, к которым подключается электродвигатель. Это достига ется за счет исключения фильтровпеременного тока в цепях узла контроля, вносящих фазовые погрешности,и применения одного сравнивающегоэлемента для контроля совпадениячастоты, фазы и амплитуды шунтируе,мых напряжений, Повышение точностиработы узла контроля совпадения частоты, Фазы и среднего значения амплитуды напряжений на шинах сети 15 и выходных выводах преобразователяпозволяет полностью исключить броскитока при переключении электроприводана питание от сети.Отсутствие в узле контроля эле ментов с большей инерционной постоянной обеспечивает ему высокое быстродействие, что позволяет исключитьпереключение электропривода на питание от сети в переходных и не уста .новившихся режимах работы электропривода.1112516 бинсронно, синхронно, но Гинкронио, синраЗно: Составитель В.ТарасТехред Л.Микеш Редактор Р.Ци ектор С Шекм аказ 6466 4 6 енноготений а ская лиал ППП Патент , г, Ужгород, ул. Проектная,ВНИИПИ по д3035, Моск Тираж сударст м изобрЖ,Подписное омитета СССР открытий наб., д, 4/5