Станция управления асинхронным двигателем

 

Изобретение относится к управлению асинхронными двигателями и может быть использовано для добычи нефти и воды с помощью погружных и прочих насосов. Технический результат выражается в повышении надежности станции управления и расширении ее функциональных возможностей. В станции управления асинхронным двигателем напряжение питающей сети выпрямляется управляемым выпрямителем, подается на фильтр и преобразуется инвертором за счет широтно-импульсной модуляции в трехфазное напряжение. Аналоговые сигналы с выходов датчика входного тока инвертора, датчика входного напряжения инвертора, датчиков сверхтоков ключей инвертора, датчиков выходных токов, устройства контроля сопротивления изоляции, термоманометрической системы и датчика уровня поступают на вход устройства согласования микропроцессорного блока управления. При выходе хотя бы одного из параметров управляемого асинхронного двигателя за пределы, определенные уставками или расчетными условиями надежного функционирования станции управления и управляемого ею асинхронного двигателя, микропроцессорный блок управления формирует управляющие сигналы, поступающие на входы блока управления выпрямителем и управляющие входы инвертора, приводящие эти параметры в норму. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к управлению асинхронными двигателями и может быть использовано для добычи нефти и воды с помощью погружных и прочих насосов.

Известно устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащее выпрямитель напряжения с подключенным последовательно с ним дросселем, инвертор, шунтированный управляемым ключом и интегратором, кроме того, инвертор подключен управляемым входом к выходу первого формирователя импульсов, а управляющие входы ключа и интегратора подключены к выходам второго формирователя импульсов, входы первого и второго формирователей присоединены к выходу задатчика управляющих импульсов [1].

Недостатками данного устройства являются отсутствие защиты электродвигателя от перенапряжении питающей сети, от уменьшения сопротивления изоляции системы "кабель - обмотки электродвигателя", недостаточная надежность, что выражается в отсутствии возможности оперативного отключения силовой цепи при возникновении аварийных ситуаций в работе, в отсутствии защиты от перегрева или выхода из строя какого-либо из ключей инвертора, а также в наличии ключа и интегратора, шунтирующих инвертор и закорачивающих выход выпрямителя через фильтр в случае пробоя ключа или интегратора, что также уменьшает надежность.

Наиболее близким техническим решением является устройство для регулирования скорости асинхронного двигателя, содержащее выпрямитель напряжения и подключенный последовательно с ним фильтр, содержащий дроссель и конденсатор, блок управления, подключенный к управляемому ключу, шунтирующему инвертор, ключ накачки, зашунтированный обратным диодом, включенный последовательно в цепь между выходом фильтра и вторым входом инвертора, причем блок управления содержит формирователи сигналов, к выходам которых присоединены управляющие входы инвертора, имеющего диоды и ключи, связанного по первому входу с фильтром, а по выходу - с обмотками двигателя [2].

Техническими недостатками известного устройства являются отсутствие защиты электродвигателя от перенапряжений питающей сети, от уменьшения сопротивления изоляции системы "кабель - обмотки электродвигателя", недостаточная надежность, что выражается в отсутствии возможности оперативного отключения силовой цепи при возникновении аварийных ситуаций в работе и регулирования тока заряда конденсаторов фильтра, в отсутствии защиты от перегрева или выхода из строя какого-либо из ключей инвертора, а также в наличии дополнительных ключей: одного ключа накачки, зашунтированного обратным диодом, разрывающего цепь между выходом фильтра и вторым входом инвертора, и второго ключа, шунтирующего инвертор и закорачивающего выход выпрямителя через фильтр в случае пробоя обратного диода или ключа накачки, что также уменьшает надежность.

Технической задачей изобретения является защита электродвигателя при возникновении перенапряжений питающей сети, при уменьшении сопротивления изоляции системы "кабель - обмотки электродвигателя", повышение надежности устройства за счет обеспечения защиты при перегреве или выходе из строя какого-либо из ключей, а также обеспечения возможности оперативного отключения при возникновении аварийных ситуаций в работе и регулирования тока заряда конденсаторов фильтра.

Сущность изобретения заключается в том, что станция управления асинхронным двигателем, содержащая выпрямитель напряжения и подключенный последовательно с ним фильтр, блок управления, содержащий формирователи сигналов, к выходам которых присоединены управляющие входы инвертора, имеющего диоды и ключи, связанного по входу с фильтром, а по выходу - с обмотками двигателя, включает блок управления выпрямителем, систему охлаждения, датчики входного тока и входного напряжения инвертора, датчики сверхтоков ключей инвертора, датчики выходных токов, устройство обогрева, причем блок управления выполнен в виде микропроцессорного контроллера, снабженного системой терморегулирования, клавиатурой, устройством индикации, блоком питания, подключенным входом к клеммам питающей сети, и устройством согласования, к входам которого присоединены: выходы датчиков сверхтоков ключей инвертора, входы которых попарно подключены к каждому ключу инвертора; выход датчика входного тока инвертора, соединенного по входу со вторым входом инвертора; выход датчика входного напряжения инвертора, соединенного по входам с первым и вторым входами инвертора; выходы датчиков выходных токов, по входу подключенных к выходным шинам, кроме того, выпрямитель является управляемым и его управляющий вход подключен к выходу блока управления выпрямителем, соединенному своим входом с выходом устройства согласования, первый выход системы терморегулирования соединен с первым входом устройства обогрева, второй вход которого соединен со вторым входом инвертора, а к второму выходу системы терморегулирования подключен вход системы охлаждения. Кроме того, к выходу инвертора подключен повышающий трансформатор напряжения, к его вторичным обмоткам присоединены кабелем обмотки двигателя, а вывод "нейтрали" вторичных обмоток трансформатора соединен с входом устройства контроля сопротивления изоляции системы "вторичные обмотки трансформатора - кабель - обмотки двигателя", выход которого присоединен к одному из входов устройства согласования, к другим его входам также подключены выход датчика уровня и выход термоманометрической системы.

Введение датчика входного напряжения инвертора и выработка блоком управления управляющих сигналов для блока управления выпрямителем при превышении входным напряжением допустимого значения обеспечивают защиту электродвигателя от перенапряжении питающей сети. Введение датчика входного тока инвертора и датчиков выходных токов обеспечивает защиту от превышения и от дисбаланса выходных токов. Повышение надежности при перегреве или выходе из строя какого-либо из ключей инвертора и диодов выпрямителя достигается за счет введения датчиков сверхтоков ключей инвертора и системы охлаждения, а при возникновении аварийных ситуаций в работе и включении станции управления в работу - за счет выработки блоком управления управляющих сигналов, выполнения выпрямителя управляемым и обеспечения регулирования тока заряда конденсаторов фильтра с помощью блока управления выпрямителем. Защита электродвигателя при уменьшении сопротивления изоляции системы "кабель - обмотки электродвигателя" достигается за счет введения устройства контроля сопротивления изоляции. Защита электродвигателя от перегрева обмоток осуществляется за счет выработки блоком управления управляющих сигналов и подключения термоманометрической системы. Расширение функциональных возможностей достигается за счет подключения термоманометрической системы, позволяющей измерять температуру обмоток двигателя, давление и температуру окружающей среды, датчика уровня, измеряющего уровень жидкости в скважине, и повышающего трансформатора, позволяющего использовать высоковольтные приводы.

На фиг. 1 изображена структурная схема станции управления асинхронным двигателем.

На фиг.2 изображена принципиальная схема инвертора с датчиками сверхтоков ключей.

Станция управления асинхронным двигателем содержит управляемый выпрямитель напряжения 1 (см. фиг.1), подключенный последовательно с ним фильтр 2, инвертор 3, блок управления 4, содержащий формирователи сигналов 5, к выходам которых присоединены управляющие входы 3...8 инвертора 3, связанного по входам 1 и 2 с фильтром 2, а по выходу - непосредственно с обмотками двигателя 6. Блок управления 4 выполнен в виде микропроцессорного контроллера, снабженного системой терморегулирования 7, клавиатурой 8, устройством индикации 9, блоком питания 10 и устройством согласования 11. Блок питания 10 подключен по входу к клеммам "С", "N" питающей сети. Станция управления включает также блок управления выпрямителем 12, систему охлаждения 13, датчик входного тока инвертора 14, датчик входного напряжения инвертора 15, датчики сверхтоков ключей инвертора 16...21, датчики выходных токов 22 и 23, устройство обогрева 24. К входам устройства согласования 11 присоединены: выходы датчиков сверхтоков ключей инвертора 16...21, входы которых попарно подключены к каждому ключу инвертора 3; выход датчика входного тока инвертора 14, соединенного по входу со вторым входом инвертора 3; выход датчика входного напряжения инвертора 15, соединенного по входам с первым и вторым входами инвертора 3; выходы датчиков выходных токов 22 и 23, по входу подключенных к выходным шинам инвертора 3. Первый выход системы терморегулирования 7 соединен с первым входом устройства обогрева 24, второй вход которого соединен со вторым входом инвертора 3, а ко второму выходу системы терморегулирования 7 подключен вход системы охлаждения 13. Двигатель 6 может подключаться с помощью кабеля как непосредственно к выходным шинам инвертора 3, так и через повышающий трансформатор напряжения 25. Для повышения степени защиты асинхронного электродвигателя может быть введено устройство контроля сопротивления изоляции 26, по входу присоединенное к выводу "нейтрали" вторичной обмотки трансформатора 25, а по выходу подключенное к входу устройства согласования 11. Для расширения функциональных возможностей к входам устройства согласования 11 могут быть подключены выходы датчика уровня 27 и термоманометрической системы 28. Инвертор 3 (см. фиг.2) содержит диоды 29... 34, шунтирующие ключи 35...40, выполненные, например, в виде транзисторов.

Работа станции управления асинхронным двигателем в общем случае осуществляется следующим образом.

Выпрямленное управляемым выпрямителем 1 напряжение трехфазной сети подается через фильтр 2 на инвертор 3. Для ограничения тока заряда емкостей фильтра 2 и исключения бросков тока в питающей сети на управляемый выпрямитель 1 подаются управляющие сигналы с выхода блока управления выпрямителем 12, управляемого по входу блоком управления 4 посредством устройства согласования 11. При возникновении аварийных ситуаций в работе станции управления или двигателя 6 с помощью управляемого выпрямителя 1 обеспечивается возможность оперативного отключения силового канала от питающей сети. Напряжение с выхода инвертора 3 может подаваться как непосредственно на двигатель 6, так и кабелем через повышающий трансформатор 25. Алгоритм функционирования станции управления определяется блоком управления 4, выполненным в виде микропроцессорного контроллера, в который требуемые уставки и режимы работы вводятся с клавиатуры 8, при этом на устройстве индикации 9 отображается информация о состоянии станции управления и асинхронного двигателя. Блок управления 4 опрашивает и анализирует в реальном масштабе времени состояние датчика входного тока инвертора 14, датчика входного напряжения инвертора 15, датчиков выходных токов 22 и 23, датчиков сверхтоков ключей инвертора 16...21, входы которых попарно подключены к каждому ключу 35...40 инвертора 3, устройства контроля сопротивления изоляции 26, датчика уровня 27 и термоманометрической системы 28. По результатам анализа показаний датчиков блок управления 4 рассчитывает амплитуду напряжения на каждой фазе в данный момент, обеспечивает следующие виды защит: от кратковременных перенапряжений питающей сети; от токов внутреннего и внешнего короткого замыкания; от снижения сопротивления изоляции системы "вторичные обмотки трансформатора - кабель - обмотки двигателя"; от токов перегрузки и от перегрева обмоток двигателя 6; от повышения токов и перегрева ключей 35...40 или исчезновения потока охлаждающего воздуха; от пропадания напряжения питания формирователей сигналов 5. С помощью клавиатуры 8 вводятся следующие уставки: порог срабатывания от повышения или снижения напряжения сети; время разгона, торможения и начальное направление вращения электродвигателя 6; время автоматического повторного включения станции управления после восстановления напряжения питающей сети; величину и границы диапазона изменении уровня при автоматическом режиме; пароль для исключения несанкционированного доступа к программированию блока управления 4; максимальные выходные токи фаз для защиты по току; выходной ток фазы, при котором начинает работать алгоритм ограничения скорости разгона электродвигателя 6; максимально допустимый входной ток инвертора 3; часы реального времени. Формирование трехфазного напряжения на выходных шинах инвертора 3 осуществляется за счет широтно-импульсной модуляции. При этом с выходов формирователей сигналов 5 на управляющие входы 3...8 инвертора 3 подаются с необходимой частотой и длительностью импульсы напряжения, обеспечивающие срабатывание ключей 35...40 таким образом, чтобы параметры напряжения на выходных шинах инвертора 3 соответствовали требуемым уставкам и режимам работы станции управления. При запуске станции управления в работу и в процессе работы, в том случае, если температурный режим внутри нее и блока управления отличается от уставок, система терморегулирования 7 вырабатывает управляющие сигналы, поступающие на входы системы охлаждения 13 и устройства обогрева 24, которые устанавливают требуемый температурный режим.

Предложенная станция управления асинхронным двигателем может применяться для управления как приводами погружных насосов, так и любыми другими приводами.

Проведенные испытания опытного образца подтвердили достижение требуемого технического результата и правильность выбора принципиальной схемы.

Литература 1. Авторское свидетельство СССР 1131012, кл. Н 02 Р 7/46.

2. Патент Российской Федерации 2116517, кл. F 04 D 15/00, Н 02 Р 7/46.

Формула изобретения

1. Станция управления асинхронным двигателем, содержащая выпрямитель напряжения и подключенный последовательно с ним фильтр, блок управления, содержащий формирователи сигналов, к выходам которых присоединены управляющие входы инвертора, имеющего диоды и ключи, связанного по входу с фильтром, а по выходу – с обмотками двигателя, отличающаяся тем, что она включает блок управления выпрямителем, систему охлаждения, датчики входного тока и входного напряжения инвертора, датчики сверхтоков ключей инвертора, датчики выходных токов, устройство обогрева, причем блок управления выполнен в виде микропроцессорного контроллера, снабженного системой терморегулирования, клавиатурой, устройством индикации, блоком питания, подключенным входами к клеммам питающей сети, и устройством согласования, к входам которого присоединены выходы датчиков сверхтоков ключей инвертора, входы которых попарно подключены к каждому ключу инвертору, выход датчика входного тока инвертора, соединенного по входу со вторым входом инвертора, выход датчика входного напряжения инвертора, соединенного по входам с первым и вторым входами инверторам выходы датчиков выходных токов, по входу подключенных к выходным шинам, кроме того, выпрямитель является управляемым и его управляющий вход подключен к выходу блока управления выпрямителем, соединенному своим входом с выходом устройства согласования, первый выход системы терморегулирования соединен с первым входом устройства обогрева, второй вход которого соединен со вторым входом инвертора, а к второму выходу системы терморегулирования подключен вход системы охлаждения.

2. Станция управления асинхронным двигателем по п.1, отличающаяся тем, что к выходу инвертора подключен повышающий трансформатор напряжения, к его вторичным обмоткам присоединены кабелем обмотки двигателя, а вывод “нейтрали” вторичных обмоток трансформатора соединен с входом устройства контроля сопротивления изоляции системы вторичные обмотки трансформатора – кабель – обмотки двигателя, выход которого присоединен к входу устройства согласования.

3. Станция управления асинхронным двигателем по п.1 или 2, отличающаяся тем, что к входу согласующего устройства подключен датчик уровня.

4. Станция управления асинхронным двигателем по одному из пп.1–3, отличающаяся тем, что к входу согласующего устройства подключена термоманометрическая система.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2