Устройство для управления асинхронным электроприводом

 

Использование: для регулирования производительности насосных и компрессорных установок в химической, нефтедобывающей промышленности, в атомной энергетике, в коммунальном хозяйстве, в мелиорации и других отраслях. Сущность: введенные в устройство для управления асинхронным двигателем , питаемым от сети через управляемый выпрямитель и инвертор, датчики напряжения , фильтраты и усилители-ограничители, связанные с входами блока двухзонного регулирования , обеспечивают оптимальный закон управления асинхронным двигателем в режиме пуска, торможения и стабилизации частоты вращения. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я>з Н 02 Р 7/42

00 .6д

С

С> О > ! аювеЬ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4828405/07 (22) 28.05.90 (46) 30.07.93. Бюл, ¹ 28 (71) Всесоюзный научно-исследовательский, и роектно-конструкторский и технологический институт силовых полупроводниковых устройств (72) А.В.Волков и А.С.Гринчейко (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1372580, кл. Н 02 Р 7/42, 1986.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1056854, кл. Н 02 Р 7/42, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

АСИНХРОНН6 М ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к частотно-управляемым электроприводам, и может быть использовано в различных отраслях промышленности: химической, нефтедобывающей, атомной энергетике, в коммунальном хозяйстве, в мелиорации и в других отраслях,— для регулирования производительности насосных и компрессорных установок.

Целью изобретения является уменьшение электрических потерь в электроприводе с еентил яторн ы м моментом статического сопротивления и повышение точности стабилизации скорости электропривода.

На фиг. 1 — функциональная схема устройства для управления асинхронным электроприводом; на фиг. 2 — функциональная схема задающего генератора; на фиг. 3— функциональная схема второго фильтра и второго усилителя-ограничите я.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для управления асин„„Я2„„1830бО9 А1 (57) Использование; для регулирования производительности насосных и компрессорных установок в химической, нефтедобывающей промышленности, в атомной энергетике, в коммунальном хозяйстве, в мелиорации и других отраслях. Сущность: введенные в устройство для управления асинхронным двигателем, питаемым от сети через управляемый выпрямитель и инвертор, датчики напряжения, фильтраты и усилители-ограничители, связанные с входами блока двухзонного регулирования, обеспечивают оптимальный закон управления асинхронным двигателем в режиме пуска, торможения и стабилизации частоты вращения. 3 ил, хронным электроприводом, содержащая управляемый выпрямитель 1 с системой управления выпрямителем 5, соединенной своим входом с выходом регулятора тока 6, подключенного одним из своих входов к выходу датчика тока 8 управляемого выпрямителя 1, сглаживающий 1 С-фильтр 2, включенный между выходом управляемого выпрямителя 1 и входом инвертора 3, систему управления инверторов 9, входом соединенную с выходом задающего генератора

10, один из входов которого подключен к выходу датчика ЭДС 11, а другой вход — к выходу блока двухзочного регулирования 16, регулятор частоты 13 с двумя входами, соединенный одним из своих входов с выходам пульта управления 17 и связанный своим вторым входом через импульсно-аналоговый преобразователь 18 с выходом задающего генератора 10, первый .датчик напряжения

19, первый фильтр 20 и первый усилительограничитель 21, последовательно соеди1830609 ненные между собой, второй датчик напряжения 22, второй фильтр 12, второй усилитель-ограничитель 14. При этом вход первого датчика напряжения 19 подключен к входным питающим выводам управляемого выпрямителя 1. второй датчик напряжения 22 соединен своим входом со входом инвертора 3, а выходом — с первым входом блока двухзонного регулирования 16, второй вход которого подсоединен к выходу

nepaoro усилителя-ограничителя 21, третий вход — к выходу второго усилителя-ограничителя 14, связанному своим входом через фильтр 12 с выходом датчика тока 8 и первым входом датчика ЭДС 11, соединенного вторым своим входом с выходом второго датчика напряжения 22, а выход регулятора частоты 13 подключен ко второму входу регулятора тока 6. В качестве возможного варианта реализации блок двухзонного регулирования 16 выполнен в виде интегрального регулятора 23, охваченного отрицательной обратной связью через компараторы-ограничители верхнего 24 и нижнего 25 уровней, причем прямые входы компараторов 24 и 25 подключены к выходу регулятора 23, инверсный вход компаратора-ограничителя 25 нижнего уровня подключен к источнику питания +UM ><, первый и второй входы интегрального регулятора

23, инверсный вход компаратора-ограничителя 24 верхнего уровня и выход регулятора

23 являются, соответственно, первым, вторым, третьим входами и выходом блока двухзонного регулирования 16. Пульт управления 17 выполнен, например, в виде эадатчика интенсивности, регулятора давления, уровня, концентрации и др.

На фиг. 2 представлен пример реализации функциональной схемы задающего генератора 10, содержащей последовательно соединенные интегратор 26, кампаратор 27 и формирователь импульсов 28, связанный выходом с управляющим входом ключа 29, подсоединенного параллельно интегрирующему конденсатору интегратора 26, причем, вход интегратора 26, второй вход компаратора 27 и выход формирователя 28 являются, соответственно, первым (интегрирующим) и вторым (опорным) входами и выходом задающего генератора 10.

На фиг. 3 приведен пример реализации функциональной схемы второго фильтра 12 и второго усилителя-ограничителя 14, содержащей инерционное звено 30, охваченное отрицательной обратной связью через компараторы-ограничители верхнего 31 и нижнего 32 уровней, при этом инверсные . прямые входы компараторов 31 и 32 подключены к выходу инерционного звена 30, а

45 E=u-1. В, (1) где R — активное сопротивление статорной обмотки двигателя.

Посредством фильтра 12 выделяется

50 сигнал постоянной составляющей из пульсирующего выходного сигнала la датчика тока 8, поступающий на вход второго усилителя-ограничителя 14, формирующего сигнал согласно выражения (6). Второй уси55 литель-ограничитель 14 обеспечивает ограничение своего выходного сигнала на нижнем уровне, равном 1,,*, и верхнем уровне, равном l<. Первый усилитель-ограничитель 21, на вход которого с входных

40 ин версн ые входы — к источникам питания

+Омак и +Омии. ApM IBM вход и выход инерционного звена 30 являются, соответственно, входом второго фильтра 12 и выходом второго усилителя-ограничителя 14.

Предложенное устройство для управления асинхронным электроприводом (см.фиг,1) работает следующим образом.

На выходе пульта управления 17(например, задатчика интенсивности, регулятора давления, уровня, концентрации) формируется сигнал в1* задания частоты, поступающий на один иэ входов регулятора частоты

13, на второй вход которого поступает аналоговый сигнал 0)1 отрицательной обратной связи фактической частоты через импульсно-аналоговый преобразователь18 с выхода задающего генератора 10. В функции величины и знака рассогласования, регулятор частоты 13 (например, выполн е н н ы и и р о и о р ционал ь но-интеграл ьным) формирует на выходе сигнал задания 1а активной составляющей статорного тока двигателя (пропорциональный требуемому значению,и+ электромагнитного момента двигателя), поступающий на один иэ входов регулятора тока 6. Посредством воздействия регулятора тока 6 (на второй вход которого поступает с выхода датчика тока 8 сигнал отрицательной обратной связи по фактическому току I> в звене постоянного тока электропривода) через систему управления выпрямителем 5 на фазовый угол включения тиристоров управляемого выпрямителя 1, поддерживается фактическое значение тока 4 в звене постоянного тока на уровне заданного значения 4*. Датчик

ЭДС 11, на входы которого поступают сигнал 0.с выхода датчика напряжения 22 (пропорциональный выходному напряжению инвертора напряжения 3) и сигнал 1 с выхода датчика тока 8, вычисляет приближенно модуль ЭДС двигателя на выражения:

1830609

10

20

30

Е Е/Ен

f = — =тн з н (3) 45

Ф = - = Ф -(- =-. 1 == >, Е

gt (4) cos p= cos =- const;

1= 1/cos р (6) питающих шин управляемого выпрямителя

1 через датчик напряжения 19 и первый фильтр 20 поступает сглаженное напряжение, пропорциональное напряжению питающей сети О,. формирует на своем выходе сигнал 0с*:

U, при U < UH;

U,*

U, при Uc U, (2) где Ug — номинальное напряжение питающей сети;

На первый вход блока двухзонного регулирования 16 (первый вход интегрального регулятора 23) поступает с выхода датчика напряжения 22 сигнал U, пропорциональный напряжению двигателя. на второй вход блока. 16 (второй вход регулятора 23) — поступает сигнал Uc* с выхода первого усилителя-ограничителя 21, на третий вход блока

16 (инверсный вход компаратора-ограничителя 24 верхнего уровня) — поступает сигнал с выхода второго усилителя-ограничителя

14, В, режиме работы, характеризующемся превышением питающего напряжения сети

Ос* над выходным напряжением двигателя (0с* > U), интегрирующий усилитель 23 блока 16 находится в состоянии ограничения входного сигнала в положительной полярности с уровнем, определяемым компаратором-ограничителем 24 верхнего уровня, т,е. на уровне текущего выходного сигнала второго усилителя-ограничителя 14. Таким образом, при работе усилителя-ограничителя 3

14 в его линейной зоне, путем воздействия выходных сигналов датчика ЭДС 11 и блока двухзонного регулирования 16 на интегрирующий и опорный входы задающего генератора 10, задается инвертору 3 частота f и в злектроприводе реализуется экономический закон управления (по минимуму электрических потерь в двигателе), для которого справедливы соотношения: где fH. Ен, 4 — номинальные значения частоты, ЭДС и статорного тока двигателя, соответственно; уЪ вЂ” угол в номинальном режиме между векторами ЭДС и статорного тока двигателя; с7 ! — модуль статорного тока двигателя, Верхнее ограничение второго усилителя-ограничителя 14 обеспечивает в режиме разгона привода с токами двигателя, более номинального значения, ограничение магнитного потока двигателя на уровне номинального значения Ф ; нижнее ограничение усилителя-ограничителя 14 обеспечивает при малых нагрузках в двигательном режиме и при режиме торможения ограничение минимального значения магнитного потока двигателя на уровне Ф и = Ф » И,*/1

В режиме работы с присадкой питающего напряжения, характеризующимся превышением напряжения двигателя над напряжением питающей сети (Uc < U), интегральный регулятор 23 блока 16 выходит иэ состояния ограничения на верхнем уровне, оставаясь с положительной полярностью выходной сигнаЛ регулятора 23 уменьшается по амплитуде до значения, и ри котором (из-за п роисходя щего с нижения амплитуды сигнала на опорном входе задающего генератора 10) уменьшающееся значение магнитного потока двигателя не обеспечит восстановление и поддержание равенства напряжения двигателя с питающим напряжением сети(0с*= О), Поддержание последнего соотношения обеспечивает высокую точность стабилизации выходной частоты злектропривода независимо от снижения питающего напряжения сети (в пределах 0,85 от номинального значения питающего напряжения). За счет "следящего" за сетью изменения уровня уставки максимального выходного напряжения двигателя, в зависимости от величины питающего напряжения регулируется максимальное значение противо-ЭДС инвертора (двигателя) таким образом, чтобы независимо от изменения величины напряжения питающей сети достигалось устойчивое регулирование тока в главной цепи электропривода. В результате указанного управления в злектроприводе достигается устойчивая стабилизация частоты, момента и тока двигателя при пониженных значениях напряжения сети. Хомпаратор-ограничитель нижнего уровня 25 блока 16 обеспечивает минимальное ограничение выходного сигнала блока

16 (из-эа возможных перерегулирований вниз выходного сигнала интеграль ого регулятора 23) во избежание черезмерного динамического ослабления магнитного потока двигателя (которое может прив сти к t едо1830609 пустимому снижению перегрузочной способности двигателя по моменту).

Дпя электропривода с вентиляторным моментом статического сопротивления ве-, личина выходного токоограничения в двига- 5 тельном режиме (cA гд) задается амплитудной уставки ограничения выходного сигнала положительной полярности регулятора частоты (на уровне laMa c*/созуЬ.

При наличии начального пускового момента 10 статического сопротивления (вызванного рением в подшипниках, уплотнениях, затвердением смазки), выходной ток двигателя устанавливаешься при пуске равным токоограничению, в результате чего двигатель. преодолевает начальный момент сопротивления и разгоняется с номинальным значением потока, обладая высокой перегрузочной способностью по. моменту. В тормозном режиме (м <в) регулятор частоты 20

13 формирует на своем выходе нулевой сигнал (la* О), активная составляющая стэторного тока двигателя la (s звене постоянного тока) снижается до нуля, блок двухзонного регулирования 16 формирует на своем вы- 25 ходе сигнал уставки нижнего ограничения

t><>*, обеспечивающий нижний уровень ослабления магнитного потока двигателя при торможении; двигатель привода тормозится с нулевым значением активной составля- 30 ющей тока и ослабленным магнитным потоком под воздействием момента статического сопротивления на валу рабочего механизма (насоса, компрессора), Задающий генератор 10, выполнен- 35 ный по функциональной схеме на фиг. 2, работает следующим образом: на выходе интегратора формируется пилообразное напряжение с периодом, обратно поопорциональным уровню сигнала 0 о-1 на пер- 40 вом входе генератора, и амплитудой, равной уровню сигнала U>o. на втором входе генератора . При достижении амплитудой выходного сигнала интегратора 26 уровня сигнала U>o-z, изменяется полярность вы- 45 ходного сигнала.компаратора 27, формируется узкий импульс нормированной длительности на выходе формирователя 28, на время длительности которого открывается ключ 29, разряжается конденсатор обрат- 50 ной связи интегратора 26, далее работа повторяется. При этом частота выходных узких прямоугольных импульсов задающего генератора находится иэ выражения:

Второй фильтр 12 и второй усилительограничитель 14. выполненные по функционэльной схеме (см.фиг,3), работают следующим образом: инерционное звено 30. в статическом режиме, реализует линейную передаточную функцию вида (5), определяемую отношением сопротивлений резистора обратной связи и входного резистора, и одновременно реализует фильтрующее звено низкой частоты, выделяющее постоянную составляющую из фактического пульсирующего сигнала датчика тока 8 (постоянная времени фильтра определяется произведением величин сопротивления резистора и емкости конденсатора в обратной связи инерционного звена 30), Посредством компараторов-ограничителей верхнего 31 и нижнего 32 уровней осуществляется ограничение наибольшего и наименьшего выходного сигнала усилителя-ограничителя

14 (на уровне сигналов +UMagg и+Орин, floступающих на прямые входы компараторов 31 и 32), В результате описанного функционирования предложенного устройства (фиг.1) в основном рабочем диапазоне изменения частоты и нагрузки электропривода (с вентиляторным характером изменения момента статического сопротивления), в двигателе создается управление при постоянстве коэффициента мощности (4); пропорционально изменяются модуль 1, активная составляющая 1а стэторного тока двигателя и магнитный поток Фдвигэтеля, что означает создание экономического закона управления асинхронным двигателем, предложенного

M,Ï,Êîñòåíêî: где p — электромагнитный момент двигателя.

В предложенном устройстве достигается уменьшение электрических потерь для электропривода с вентиляторным моментом статического сопротивления за счет того, что с изменением нагрузки на валу двигателя привода изменяется его магнитный поток в функции (8) от величины электромагнитного момента двигателя (в отличие от устройства-прототипа, в котором поддерживалось неизменным значение магнитного потока, равное номинальному значению), что обеспечивает выделение минимальных электрических потерь в асинхронном двигателе. Кроме того, за счет того, что в предложенном устройстве при нагрузках менее номинального значения, преобразователи частоты электроприводов работают с меньшими значениями выходных напряжений (чем в прототипе), снижаются электрические

1830609

t0 потери в преобразователе частоты (из-эа уменьшения выделяемых потерь в RC-цепях силовыхтиристоров,транзисторовинвертора), С учетом того, что насосные установки, компрессоры, как правило, в ночное время 5 (составляющее 1/3 суток) работают при нагрузке равной и менее 0,5 от номинальной, то применение предложенного устройства для таких условий работы обеспечивает экономию электроэнергии на 1-3 . 10

В частности, общие электрические потери в асинхронном двигателе содержат две составляющие:.

15 (9) у ХР1 ХР2. 1%

Рн

2,46 100 =1,4;6

75 (15) 25

В предложенном устройстве достигается повышение точности стабилизации скорости электропривода при изменении момента статического сопротивления. Повышение

30 точности стабилизации скорости электропривода (с внешним датчиком частоты статора) при изменении момента нагрузки достигается за счет поддержания постоянного значения (на уровне номинального)

35 скольжения двигателя путем регулирования потока двигателя в функции момента согласно экономичного закона управления.

Вследствие стабилизации двух величин; выходной частоты (астатическим регулятором

40 частоты) и скольжения (путем задания постоянной величины скольжения), — а предложенном электроприводе обеспечивается автоматическая стабилизация на заданном уровне скорости двигателя при изменении момента нагрузки на валу двигателя. Следовательно, по сравнению с стройством-прототипом (а котором при стабилизации частоты и магнитного потока изменение скорости электропривода определяется наклоном механической характеристики двигателя) точность стабилизации скорости ряс 0,01 Р f О, (12) 5S ным электроприводом, содержащее управXPg = PFe + РМ = (РРе)н f @ +

1,5 где Pre, Рь1 — потери в стали и меди двигателя, (РЕе)н, (РМ)н — номинальные потери в стали и меди двигателя;

f, Ф, i — относител ьн ы е значения частоты, потока и статорного тока двигателя (за базовые величины принимаются номинальные значения указанных величин).

С учетом того, что для общепромышленных асинхронных двигателей в номинальном режиме

Р е=РМ 0,5 ЬРн, (10) для переменных значений частоты и потока потери в двигателе определяются иэ выражения:

ZPg 0,5 ЛРн (f Ф" + I ). (11) где ЛРн = (1 gN)PH потери в двигателе а номинальном режиме;

rH, Рн — номинальные значения КПД и выходной мощности двигателя;

С учетом того, что потери в RC-цепях инвертора преобразователя частоты пропорциональны выходной частоте и квадрату выходного напряжения, а также составляют на практике в номинальном режиме около

1 от номинальной выходной мощности преобразователя. то эти потери можно определить иэ формулы где U — относительное значение выходного напряжения преобразователя (по отноше-. нию к его номинальному значению).

Для электропривода с номинальной мощностью двигателя 75 кВт, имеющий

КОД вЂ” 0,92, при работе на выходной частоте

0,7 fH с вентиляторным моментом статиче ского сопротивления вида с pe = f рассчи2 таем электрические потери из выражений (11) и (12) для устройства-прототипа;

ХР2 =ZPg+ APRC — 0.5 6((0.7) " (0,7) +

+(0,7) )+ 0,001 75 0,7 (0,7) ==2,46 кВт (14) для предложенного устройства.

Таким образом, в предложенном устройстве достигается экономия электроэнергии (по сравнению с прототипами) при работе с вентиляторным моментом статического сопротивления в рассмотренном режиме, равная: увеличивается на величину номинального скольжения двигателя, т.е. примерно на 2-37.. ляемый выпрямитель с выводами для подключения питающей сети и с системой

1830609

12. управления, соединенной своим входом с выходом регулятора тока, подключенного одним из своих входов к выходу датчика тока управляемого выпрямителя, сглаживающий1 С-фильтр,, включенный между выхо- 5 дом управляемого выпрямителя и входом инвертора, систему управления инвертором, входом соединенную с выходом задающего генератора, один из входов которого подключен к выходу датчика ЭДС,а другой 10 вход — к выходу блока двухзонного регулирования, регулятор частоты с двумя входами, одии иэ которых служи для соединения с выходом пульта управления, второй вход через импульсно-аналоговый 15 преобразователь соединен с выходом задающего генератора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации скорости и уменьшения электрических потерь в электроприводе с вентиляторным 20 моментом статического сопротивления, в него введены первый датчик напряжения, первый фильтр и первый усилитель-ограничитель, последовательно соединенные между собой, второй датчик напряжения, второй фильтр, второй усилитель-ограничитель, а блок двухзонного регулирования снабжен третьим входом, при этом вход первого датчика напряжения подключен к выводам для подключения питающей сети управляемого выпрямителя, второй датчик напряжения входом соединен с входом инвертора, а выходом — c первым входом блока двухэонного регулирования, второй вход которого подсоединен к выходу первого усилителя-ограничителя, третий вход — к выходу второго усилителя-ограничителя, соединенному входом через второй фильтр с выходом датчика тока и первым входом датчика ЭДС, вторым входом соединенного с выходом второго датчика напряжения, а выход регулятора частоты подключен к второму входу регулятора тока, 1830609

Составитель А. Волков

Редактор А. Егорова Техред М.Моргентал Корректор С. Патрушева

Заказ 2526 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ори ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101