Устройство для управления асинхронным электродвигателем

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К .АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соаетскик

Соцфалистимвскик

Рвспублии

< 666621 (6l) Дополнительное к авт. свиа-ву (22).Заявлено 19.04.76 (2l) 2350038/24»07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 05.06 79.Бюллетень %21

Дата опубликования описания08.06,79

2 (5l) М. Кл.

Н 02 P 5/34

Н 02 P 7/42

Гасударственный комитет

СССР па делам изобретений н открытий (53) УДК 621.316. .718 5 (088.a) Я. А. Брискман, В. В, Маркин, В. К. Миледин, Е. П. Плотников и А. П. Пролыгин (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ

ЗЛЕ КТРОЙВИГАТЕЛЕМ

Изобретение 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 111.

B таких инверторах надежная коммута ция силовых тиристоров обеспечивается во всем диапазоне регулирования, включая зону пуска, поскольку напряжение на коммутируюшем конденсаторе определяется максимальным и неизменным уровнем нап ряжения источника питания. При этом нет необходимости в дополнительных цепях заряда коммутируюшего конденсатора от специальных источников напряжения, Одна ко повышенная частота переключения си2 ловых вентилей такого инвергора предьяв» ляег повышенные требования к частотным характеристикам полупроводниковых цриборов и элементов узла искусственной коммутации, что приводит, как правило, к увеличению, их установленной мошности, Известны другие устройства для управления асинхронным электродвигателем на основе автономных инверторов с амплитудным способом регулирования выходного напряжения (2).

Условия работы полупроводниковых приборов и элементов узла искусственной коммутации в таких инверторах более благоприятны, чем в инверторах с импульсным

15 регулированием напряжения. Однако для обеспечения надежной. коммутации силовых тиристоров в режиме пуска, когда напряжение на входе инвергора, а следовательно, и на коммутируюшем конденсаторе, мало, в схему инвертора вводят дополнительные цепи заряда коммутируюшего конденсатора и специальный источник постоянного напряжения, В результате увели666621 чивается установленная мощность силового оборудования инвертора, а также возрастают потери энергии в дополнительных цепях заряда, что снижает эффективность использования таких инверторов. 5

Наиболее близким к изобретению является устройство для управления асинхронным двигателем, которое включает в се» бя автономный инвертор, получающий питание от источника постоянного напряжения регулируемой амплитуды через коммутирующий элемент и содержаший инверторный мост, обратный мост и узел искусст венной коммутации, подключенные к входным и выходным зажимам инвертора, а также блок управления частотой инвертора, один вход которого подключен к датчику угловой скорости асинхронного двигателя, другой - к задатчику абсолютного скольжения, а выход - к инверторному 20 мосту и узлу искусственной коммутации (33.

В этом устройстве для обеспечения надежной коммутации инвертора независимо

or величины входного напряжения используется схема подзаряда коммутирующего конденсатора or дополнительного источника. В цепь подзаряда входят трансформа- . тор, .выпрямитель, сглаживающий фильтр и зарядные тиристоры. Присутствие в схе- ЗО ме 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 уст ройс тва.

Указанная цель достигается тем, что в устройство введены последовательно включенные датчик состояния коммутирующего элемента, задатчик пускового режима и элемент выделения максимального сигнала, второй вход которого соединен с за- 45 датчиком абсолютного скольжения, а вы-! ход - c блоком управления частотой инвер тора, ри этом объединенные выводы постоянного тока инверторного и обратного мостов и одноименный вывод постоянного тока узла искусственной коммутации подключены к разным зажимам коммутирующего элемента, Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для управления асинхронным электродвигателем, на фиг. 2 - принципиальная схема автономного инвертора на пряжения; на фиг. 3 - принципиальная схема задатчика пускового режима; на фиг. 4временная диаграмма изменения частоты инвертора при .работе устройства.

Устройство для 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 HHBepropa 6, к которому подключен датчик угловой скорости 7 асинхронного двигателя и через элемент выделения максимального сигнала 8 задатчик абсолютного скольжения 9, коммутирующий элемент 10, включенный между источником 1 и обратным мостом 2, и дат чик состояния 11 коммутирующего элеменга 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 датчи ка состояния ll контактора 10 размыкающий блок контакт 11 шунтирует конденсатор 36. Выходной сигнал задатчика пускового режима через резистор 39 поступает на вход элемента выделения макси мального сигнала, состоящего иэ диодов

40 и 41. Йля замыкания реактивной энергии, запасенной в катушке, при размыка» нии контактора 10 катушка контактора шунтирована диодом 42.

Устройство работает следующим образом.

В исходном положении постоянное напряжение на выходе источника 1 минимал1 но и соответствует пусковому при задан» ной установке мощности в системе автоматического регулирования электропривода

Линейный контактор 10, осушествляюший подачу напряжения источника 1 на вход обратного 2 и инверторного 3 мостов, разомкнут.

Первоначально на управляющие пере ходы всех тирчсторов инверторного моста 3 и узла искусственной коммутации 4 подаются отпираюшие импульсы or блока управления частотой инвертора 6. При этом частота на выходе блока 6 минимальна и соответствует напряжению, поступающему на вход блока 6 от задатчика абсолютного скольжения 9, поскольку на выходе задатчика пускового режима сигнал отсутствует.

При подаче управляюших импульсов под . действием приложенного напряжения источника 1 включаются вспомогательные тиристоры, например, 17 и 15 и происходит первоначальный заряд конденсатора 13

25 от источника напряжения 1 по следующей цепи. положительный полюс источника питания - тиристор 15 . конденсатор 13 дроссель 14- тиристор 17 - фазы А и

В - тиристор 27 - отрицательный полюс

Зо

-источника питания. При этом конденсатор

13 заряжается с полярностьк„указанной на фиг. 2 (без.скобок).

Через 60 электрических градусов в со.ответствии с алгоритмом управления инвер35 тором подаются отпираюшие импульсы на вспомогательные тиристоры 21 и 16.При этом происходит перезаряд конденсатора

13 llo противоположно полярности по це пи: правая обкладка конденсатора 13тиристор .16 - диод 33 - тирисгор 21дроссель 14 - левая обкладка конденсатора 13.

Еше через 60 электрических градусов 4 подаются отпираюшие импульсы на вспомогательные тиристоры 19 и 15. Однако поскольку цепь перезаряда конденсатора

13 через тиристор 19, диод 31 и тиристор 15 разомкнута контактором 10, то конденсатор 13 вновь заряжается or источника 1 через фазы нагрузки цо цепи; положительный полюс источника питания тиристор. 15 - конденсатор 13 - дроссель

-14 - тиристор 19 .- фазы С и А двигате

51 ля — тиристор 26 - отрицательный полюс источника питания. При этом напряжение источника 1 оказывается включенным сот. ласно с напряжением коммутирующего конденсагора, благода-я чему пезззазад по: следнего происходит до иапрыения, примерно равного двойному напряжению нсточника 1 за вычетом потерь в контуре пере заряда.

Описанный цикл перезаря;,:. : Иовгоряегся многократно, вслздсгв е чего усгапо== вившееся напряжение па КО,1;::утируюп1ем конденсаторе обычно в неско;ко p;:-.. пре= вышает величину напряжения, источника питания 1. После досги.кения усгаповившеГОСЯ НаЛРBNei" r. <- HQ КО,Р;УГИРУЮ r ;ò КОН, денсаторе в момент времени =-0 (фнг. 4), выключателем.38 подшот и ггание нн схему зндйтчикя ъс&ОВОГО режима (фиге 3)

При этом потенциал ОчкБ A скнчком устанавливается разным разности питаю- щего напряжения и паде1пи напряжения на обмотке реле 35. Згог сигнал является выходным сигналом вадагчика пускового режима; он значительно превышаег величину сигнала задагчпка абсол Огно;о скольжения 9 и, поступая через элемент выделения максимального сигнала (диоды 40 и

41) на вход. блока 6, определяет максимальное значение выхсдной частоты инвзр= тОра щд, (фиг. 4 ) .

Одновременно реле 36, включизшись, замыкае г цепь ка гушк и к он гак .. Ора 10 (фиг 3 ) ° КОнтакгор 10 вель чается и

I соединяет положигель.г>1й полюс источника постоянного напряженич 1 с Одноимен

Hb1M Общим TLKlk"ooM постoHHHol"o ro_#_B инверторного 3 и обрн-ИОГО 2 мзстов. Ьлз-; годзря этому, во-первых, собираются ранее Отсутствовавшие цепи дг;я перезвряда коммутирующего конденсатора через диоды

29, 30, 31, вс-вгсрых, на вход инвергор= ного моста 3 подается напряжение источника 1. Инвергор всгупаег в работу и по фазам двигателя начпнаег г1рогекагь ток, коммутация которого происходит усгойчиво, поскольку при мини.;1альном напряжении исгОчника питания 1 и максимальной выходной частоте. пнвергора коммутируемый ток нагрузки:en. При этом первые коммутации осуществляются повышенным напряжением конденсатора, а после несколь. ких перезарядов напря;кение ка кснден агоре устанавливается большим напряжения источника 1 на величину, Определяемую коммутируемым током нагрузки и парамег рами элементов ком. 1órnðó omeão контура.

С этого момента и в последующем осушествляегся слежение напряжения на конденсаторе .13 за коммутируемым гоком нагрузки. Поскольку при L 0 частота напряжения ПБ Be+mего ге. A . РРь 5 мВк

666621 симальна, а амплитуда минимальна, то момент, развиваемый двигателем, меньше момента нагрузки (момента сопротивления) и двигатель не вращается (f = 0 на фиг. 4), 5

Пуск двигателя осуществляется благодаря тому, что контактор 10, включившись, своими размыкаюшими блок-контактами 11 вводит в цепь катушки реле 35 . конденсатор 36 (фиг. 3). Последний начинает заряжаться с постоянной времени, определяемой параметрами конденсатора

36 и резистора 37. С той же постоянной времени снижаются потенциал точки А, частота на выходе блока 6, и, следова» тельно, частота f на выходе двигателя (фиг. 4). При этом ток двигателя и развиваемый им момент плавно нарастает, и в момент времени, при частоте f<=fqq, когда момент, развиваемый двигателем, становится больше статического момента нагрузки, двигатель начинает вращаться и частота его вращения f начинает увеличиваться (фиг; 4). Наклон кривой (f) определяется при этом моментом инерции ротора двигателя и нагрузки. В процессе заряда конденсатора 36 (фиг. 3) сигнал, поступающий на вход элемента выделения максимального сигнала 8 (фиг. 1) с вы30 хода задатчика пускового режима 12 уменьшается до нуля. После того, как этот сит нал становится меньше сигнала задатчика абсолютного скольжения 9, на вход блока управления частотой инвертора 6 поступаз ет сигнал, пропорциональный частоте абсолютного скольжения. Управление частотой двигателя в процессе дальнейшего разгона осуществляется известным способом, а именно формированием частоты j, путем алгебраического суммирования в блоке 6 сигналов, пропорциональных измеренной частоте ротора f и заданной часто» те абсолютного скольжения

В частности, на фиг. 4 изображен слу45 чай, когда частота абсолютного сколь3ке» ния fg в процессе разгона двигателя ос» тается постоянной и равной значению выходной частоты инвертора f<< в момент трогания двигателя.

$0

В процессе заряда конденсатора 36 напряжение, прикладываемое к обмотке реле 35, снижается, реле отключается, но цепь катушки контактора 10 остается бло55 кированной его замыкающими блок кон тактами. Возврат схемы устройства в ис ходное положение осуществляется выключателем 38. С помощью регулируемых ре8 зисторов 37 и 39 (фиг. 3 ) устанавливается уровень и темп снижения выходной частоты инвертора в режиме пуска.

Осуществление устойчивого частотного пуска асинхронного двигателя с помощью данного устройства возможно благодаря использованию известной специфической особенности рассматриваемого типа инвертора, состоящей в автоматическом повышении коммутационной способности инвертора при увеличении предкоммутационного тока нагрузки эа счет. накопления энергии на коммутирующем 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 коммутируюцем конденсаторе за изменяющимся током нагрузки.

B 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 конденсатора от 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 конденса тора 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

9 достаточную для надежной коммутации то ков нагрузки, соответствуюших этому ми» нимальному уровню напряжения источника, питания и установленной максимальной выходной частоте инвертора при неподвижном двигателе.

Таким образом, устройство позволяет обеспечить устойчивый пуск асинхронного двигателя без увеличения установленной мошности элементов инвертора, примене- 10 ния дополнитечьного источника и цейей подзаряда, а также без изменения алгоритм» ма управления тиристорами инвертора,что, приводит к повышению KHAKI, и надежности электропривода, а также снижению его 1S массо-габаритных показателей и стоимости.

Формула изобретения

10 подключен 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, B него введены последовательно включенные датчик состояния коммутируюшего элемента, задатчик пускового режима и элемент выделения макСимального сигнала, второй вход которого соединен с задатчиком абсолютного скольжения, а выход - с блоком управления часть той инвертора, при этом обьединенные выводы постоянного тока инверторного и.обратного мостов и одноименный вывод постоянного тока узла искусственной комму« тации подключен к разным зажимам коммутируюшего элемента.

Устройство для управления асинхрон ным электродвигателем, выполненное на базе автономного инвертора напряжения, подключенного к источнику постоянного напряжения регулируемой амплитуды через коммутирующий элемент, содержащее azверторный мост, обратный мост, узел искусствэинбй кЬммутации и блок управления частотой инвертора, один вход которого

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1., Сандлер А. С. и Гусяцкий 10, Х.

Тиристорные инверторы с широтноимпульсной модуляцией. - М.,"Энергия, 1968, с. 10.

2. Патент Великобритании% 1055855, кл. Н 2 Г, 1965.

3. Журнал Электрическая и тепловодЗО ная тяга», Ro 8, 1970, с, 36 9.

666621

1 х

I

fg t

1

Рие. 9

Рие. 3

Составитель В. Кузнепова

Редактор Й. Мепуришвили Техред М, Келемеш Корректор О. Ковинская

Заказ 3204/43 Тираж 856 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент, r. Ужгород, ул, Проектная, 4