асинхронный электропривод грузоподъемного механизма

Формула изобретения

Асинхронный электропривод грузоподъемного механизма, содержащий асинхронный двигатель, фазы статорной обмотки которого подключены к выходам тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью, управляющие входы которого соединены с выходами многоканальной системы импульсно-фазового управления, задатчик режимов работы указанного преобразователя частоты, составленный из задатчика управляющих напряжений низкой частоты и трехканального коммутатора, схему блокировки каналов системы импульсного-фазового управления, выходы которой подключены к одной группе входов системы импульсного-фазового управления, другая группа входов которой соединена с выходами задатчика режимов работы преобразователя частоты, командоаппарат, первым выходом соединенный с вторым входом упомянутой схемы блокировки и первым управляющим входом указанного задатчика режимов, второй и третий управляющие входы которого подключены к выходам каналов регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя частоты, датчик частоты вращения асинхронного двигателя, задатчик интенсивности разгона и торможения, выходом соединенный с входом канала регулировки частоты и первым входом канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, одноканальный коммутатор, компаратор, отличающийся тем, что введены датчики тока, включенные в выходные фазы преобразователя частоты с непосредственной связью, выпрямитель, входами подключенный к датчикам тока, а выходом к входу одноканального коммутатора, управляющий вход которого соединен с первым выходом командоаппарата, запоминающий блок и программный регулятор амплитуды напряжения на выходе указанного преобразователя частоты, выход компаратора соединен с управляющим входом трехканального коммутатора, первый и четвертый выходы которого объединены и подключены к дополнительному входу задатчика управляющих напряжений низкой частоты, второй и третий выходы трехканального коммутатора образуют дополнительные выходы задатчика режимов работы преобразователя частоты, соединенные соответственно с первыми входами компаратора и задатчика интенсивности разгона и торможения двигателя, вторыми входами подключенных ко второму и третьему выходам командоаппарата, четвертый выход которого соединен с вторым входом трехканального коммутатора, третий вход которого подключен к выходу упомянутого программного регулятора, соединенному с третьим входом компаратора, первый и второй входы программного регулятора связаны с третьим выходом командоаппарата и запоминающего блока, входом подключенного к выходу одноканального коммутатора выходом, причем первый, второй и третий управляющие входы задатчика режимов работы преобразователя частоты образованы соответственно первым и вторым входами задатчика управляющих напряжений низкой частоты и первым входом трехканального коммутатора, а первый вход схемы блокирования каналов системы импульсно-фазового управления соединен с выходом канала регулирования частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах грузоподъемных механизмов, преимущественно в механизмах подъема башенных и мостовых кранов, судовых грузовых лебедках.

Известен частотно-регулируемый электропривод грузоподъемного механизма [1] в котором в систему "непосредственный преобразователь частоты - асинхронный двигатель" введены переключатели режимов плавного и дискретного изменения частоты на выходе НПЧ, замкнутая система автоматического регулирования отношения напряжения к частоте путем косвенного вычисления и поддержания заданного значения внутренней ЭДС асинхронного двигателя.

Основным недостатком известного электропривода является использование сигналов вычисленных внутренних э.д.с. асинхронного двигателя для обеспечения плавного перехода непосредственного преобразователя частоты из выпрямленного в инверторный режим и уменьшения при этом значений тормозных моментов в приводном двигателе.

В основу устройств, реализованных в известном электроприводе, положено допущение, что сигналы вычисленных мгновенных фазных ЭДС двигателя имеют синусоидальную форму.

Результаты испытаний грузоподъемных электроприводов, реализованных на основе указанных устройств показали, что сигналы вычисленных мгновенных фазных ЭДС не могут быть использованы в качестве задающих синусоидальных напряжений, поскольку содержат значительные пульсации, амплитуды которых изменяются в зависимости от значений частоты вращения, нагрузки на валу двигателя, установившихся или переходных режимов работы электропривода.

Наиболее близким аналогом к изобретению является асинхронный электропривод грузоподъемного механизма, содержащий асинхронный двигатель, преобразователь частоты с непосредственной связью, многоканальную систему импульсно-фазового управления тиристорами преобразователей, снабженную многоканальным блоком сравнения и синхронизации, командоаппарат, компаратор, задатчик режимов работы указанного преобразователя частоты, составленный из задатчика управляющих напряжений низкой частоты и трехканального коммутатора, задатчик интенсивности разгона и торможения двигателя, датчик частоты вращения двигателя, одноканальный коммутатор, каналы регулироваться амплитуды и частоты выходного напряжения упомянутого преобразователя частоты, схему блокировки каналов, выходы которой соединены и подключены к одной группе входов системы импульсно-фазового управления, другая группа входов которой соединена с выходами задатчика режимов работы преобразователя частоты, первый выход командоаппарата соединен с вторым входом упомянутой схемы блокировки и первым управляющим входом указанного задатчика режимов, второй и третий управляющие входы которого подключены к выходам каналов регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя частоты, выход задатчика интенсивности разгона и торможения двигателя соединены с входом канала регулирования частоты и первым входом канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты, второй вход которого подключены к выходу датчика частоты вращения [2]

В известном электроприводе для обеспечения безударного перехода из режима фазового управления в режим частотного управления электропривода затормаживают приводной двигатель в режиме фазового управления в диапазоне скорости от n ном. до 0,5 n ном. При этом фиксируют скорость двигателя, равную 0,5 n ном. с помощью датчика частоты вращения. В процессе этого производится измерение напряжения на выходе преобразователя датчиком напряжения и формирование сигнала в блоке задания начальных условий.

При этом на выходе канала регулирования частоты устанавливают начальную частоту выходного напряжения преобразователя, после чего по команде блока выбора режимов производят переключение электропривода в режим частотного управления.

Недостатком известного электропривода является существенное уменьшение максимального момента двигателя при торможении в режиме фазового управления напряжением на статоре двигателя, что может приводить к "опрокидыванию" двигателя. В грузоподъемных механизмах такой режим работы известного электропривода может привести к падению груза, что недопустимо в условиях эксплуатации. Поэтому в грузоподъемных механизмах переход асинхронного двигателя с большей на меньшую частоту вращения производится через режим генераторного торможения.

Изобретение направлено на повышение долговечности и надежности вследствие обеспечение безударного перехода из режима работы на частоте питающей сети в режим частотного управления путем введения программного режима перехода из режима бесконтактного коммутатора в режим непосредственного преобразователя частоты.

Указанный технический результат достигается тем, что в асинхронный электропривод грузоподъемного механизма, содержащий асинхронный двигатель, фазы статорной обмотки которого подключены к восемнадцатитиристорному преобразователю частоты с непосредственной связью, управляющие входы которого соединены с выходами многоканальной системы импульсно-фазового управления, задатчик режимов работы указанного преобразователя частоты, составленного из задатчика управляющих напряжений низкой частоты и трехканального коммутатора, схему блокировки каналов системы импульсно-фазового управления, выходы которой подключены к одной группе входов системы импульсно-фазового управления, другая группа входов которой соединен с выходами задатчика режимов работы преобразователя частоты, командоаппарат, первым выходом соединенный с вторым входом упомянутой схемы блокировки и первым управляющим входом указанного задатчика режимов, второй и третий управляющие входы которого подключены к выходам каналов регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения преобразователя частоты, датчик частоты вращения асинхронного двигателя, задатчик интенсивности разгона и торможения, выходом соединенный с входом канала регулирования частоты и первым входом канала регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частот, второй вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, одноканальный коммутатор, компаратор, введены датчики тока, включенные в выходные фазы преобразователя частоты с непосредственной связью, выпрямитель, входами подключенный к датчикам тока, а выходом к входу одноканального коммутатора, управляющий вход которого соединен с первым выходом командоаппаpата, запоминающий блок и программный регулятор амплитуды напряжения на выходе указанного преобразователя частоты, выход компаратора соединен с управляющим входом трехканального коммутатора, первый и четвертый выходы которого объединены и подключены к дополнительному входу задатчика управляющих напряжений низкой частоты, второй и третий выходы трехканального коммутатора образуют дополнительные выходы задатчика режимов работы преобразователя частоты, соединенные соответственно с первыми входами компаратора и задатчика интенсивности разгона и торможения двигателя, вторыми входами подключенных к второму и третьему выходу командоаппарата, четвертый выход которого соединен с вторым входом трехканального коммутатора, третий вход которого подключен к выходу упомянутого программного регулятора, соединенному с третьим входом компаратора, первый и второй входы программного регулятора связаны с третьим выходом командоаппарата и выходом запоминающего блока, входом подключенного к выходу одноканального коммутатора, причем первый, второй и третий управляющие входы задатчика режимов работы преобразователя частоты образованы соответственно первым и вторым входами задатчика управляющих напряжений низкой частоты и первым входом трехканального коммутатора, а первый вход схемы блокировки каналов системы импульсно-фазового управления соединен с выходом канала регулирования частоты.

На фиг. 1 изображена структурная схема асинхронного электропривода грузоподъемного механизма; на фиг. 2 механические характеристики электропривода; на фиг. 3 временные диаграммы напряжений основных узлов схемы, поясняющие работу электропривода.

Асинхронный электропривод грузоподъемного механизма содержит асинхронный двигатель 1, фазы статорной обмотки которого подключены к выходным фазам тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью, управляющими входами соединенного с выходами многоканальной системы 3 импульсно-фазового управления (СИФУ), которая имеет в каждом канале один из элементов И 3₄-3₁₈ и общий для всех каналов блок 3₁₉ сравнения и синхронизации. Преобразователь 2 частоты и блок 3₁₉ подключены к фазам А, В, С питающей сети.

Датчики 4, 5, 6 токов, включенные в выходные фазы преобразователя частоты 2, подключены к входам выпрямителя 7. Выход датчика 8 частоты вращения подключен к второму входу канала 9 регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя частоты 2.

Второй выход командоаппарата 10 подключен к второму входу задатчика 11 интенсивности, выход которого соединен с входом канала 12 регулирования частоты и с первым входом канала 9 регулирования амплитуды выходного напряжения преобразователя 2 частоты с непосредственной связью.

Первый, второй, третий управляющие входы задатчика 13 режимов работы, преобразователя частоты, составленного из трехканального коммутатора 14 и задатчика 15 управляющих напряжений низкой частоты, подключены соответственно к первому выходу командоаппарата 10, выходам канала 9 регулирования амплитуды и канала 12 регулирования частоты напряжения на выходе преобразователя частоты.

Выходы схемы 16 блокировки и задатчика 13 режимов работы ГПЧ соединены с соответствующими группами входов системы 3 импульсно-фазового управления. Первый вход схемы 16 блокировки подключен к выходу канала 12 регулирования частоты. Первый и четвертый выходы трехканального коммутатора 14 объединены и подключены к дополнительному входу задатчика 15 управляющих напряжений низкой частоты. Выход компаратора 17 подключен к управляющему входу трехканального коммутатора 14.

Второй и третий выходы трехканального коммутатора 14 образуют дополнительные выходы задатчика 13 режимов работы и подключены к первому входу компаратора 17 и первому входу задатчика 11 интенсивности соответственно.

Второй и третий входы трехканального коммутатора 14 подключены соответственно к четвертому выходу командоаппарата 10 и выходу программного регулятора 18 амплитуды напряжения на выходе преобразователя частоты.

Выход компаратора 17 соединен с управляющим входом трехканального коммутатора 15, третий вход компаратора 17 подключен к выходу программного регулятора 18.

Первый выход командоаппарата 10 подключен к управляющему входу одноканального коммутатора 19 и к второму входу схемы 16 блокировки.

Третий выход командоаппарата 10 подключен к второму входу компаратора 17 и к первому входу программного регулятора 18 амплитуды выходного напряжения преобразователя 2 частоты, к второму входу которого подсоединен выход запоминающего блока 20, входом соединенного с выходом одноканального коммутатора 19, вход которого соединен с выходом выпрямителя 7.

Первый, второй и третий управляющие входы задатчика режимов работы преобразователя частоты образованы соответственно первым и вторым входами задатчика управляющих напряжений низкой частоты и первым входом трехканального коммутатора.

На фиг. 2 обозначены: А естественная механическая характеристика двигателя; Б механическая характеристика двигателя в режиме частотного управления при частоте вращения, равной 0,5 номинальной и напряжении И_y=И₁ (фиг. 3); В механическая характеристика двигателя в режиме частотного управления при частоте вращения от 0 до 0,5 номинальной; Г₁,Г_п механические характеристики двигателя в режиме частотного управления при частоте вращения, равной 0,5 номинальной U и напряжении управления U_y=0^oCU_п<U.

На фиг. 3 показаны: а выходной сигнал первого выхода командоаппарата 10; б выходной сигнал третьего выхода командоаппарата 10; в выходной сигнал задатчика 11 интенсивности разгона и торможения; г выходной сигнал канала 9 регулирования амплитуды выходного напряжения; д выходной сигнал программного регулятора 18 амплитуды выходного напряжения; е выходной сигнал компаратора 17.

Электропривод работает следующим образом.

Преобразователь частоты 2 с непосредственной связью обеспечивает работу электропривода в двух режимах: 1) регулирование частоты и амплитуды выходного напряжения (режим непосредственного преобразователя частоты (НПЧ) для плавного изменения частоты вращения асинхронного двигателя; 2) дискретный переход в режим бесконтактного коммутатора, при котором двигатель переключается на естественную механическую характеристику и работает при номинальной частоте вращения.

Пусть до момента времени t₁ электропривод работал в режиме НПЧ. При этом сигналы с первого выхода "F ком" и с третьего выхода "разрешение fмах" командоаппарата 10 имеют значение логической "единицы" (фиг. 1,3).

На выходе задатчика 11 интенсивности формируется положительное напряжение, соответствующее напряжению управление Uу, поступающему с второго выхода командоаппарата 10. При этом задатчик управляющих напряжений низкой частоты 15 (ЗНЧ) вырабатывает три низкочастотных сигнала, параметры которых задаются каналами регулирования частоты 12 и амплитуды 9 выходного напряжения преобразователя 2 частоты. Напряжения с выхода задатчика 13 режимов работы преобразователя поступают на многоканальный блок 3₁₉ сравнения СИФУ 3, все каналы которой находятся в работе.

Двигатель работает на механической характеристике В (фиг. 2) с частотой вращения, соответствующей точке С.

Напряжение на выходе программного регулятора амплитуды напряжения 18 НПЧ определяется уставкой "Разрешение fмакс" командоаппарата 10 и имеет максимальное положительное значение.

Компаратор 17 находится в зоне отрицательного насыщения.

При переводе командоаппарата 10 в положение, соответствующее максимальной скорости электропривода (момент времени t₁), сигнал "Fком.", на первом выходе командоаппарата 10 принимает уровень логического "0".

Задатчик интенсивности 11 формирует линейно-возрастающий сигнал задания на частоту и амплитуду выходного напряжения преобразователя до значения выходной частоте fмакс. преобразователя 2 частот (момент времени t₂) при работе в режиме НПЧ. При этом напряжение управления на втором выходе командоаппарата 10 достигает максимального значения.

При достижении асинхронным двигателем 1 частоты fмакс. 0,5 f c, где f c частота напряжения питающей сети (точка в на фиг. 2) и наличии сигнала "Fком" 0 срабатывает схема 16 блокировки. В СИФУ 3 блокируются двенадцать каналов из восемнадцати.

Задатчик 13 режимов работы преобразователя 2 частоты с этого момента вырабатывает сигналы, параметры которых задают угол управления тиристорами и частоту напряжения на выходе преобразователя fвых.fс. Выходные сигналы задатчика 13 режимов работы при этом не зависят от сигналов, поступающих на его второй и третий входы.

Дальнейший разгон двигателя до номинальной скорости (точка "а" фиг.2) осуществляется по естественной характеристике А.

В момент времени t₂ сигнал с третьего выхода командоаппарата 10 "Разрешение f макс" принимает значение логического "0". Этим сигналом компаратор 17 переводится в зону положительного насыщения и производит переключение трехканального коммутатора 14.

Напряжение на выходе программного регулятора 18 сигналом "Разрешение f макс" сбрасывается до нулевого значения. При работе электропривода в режиме бесконтактного коммутатора в запоминающий блок 20 через одноканальный коммутатор 19 записывается информация с выхода выпрямителя 7 о значениях фазных токов асинхронного электродвигателя 2.

В момент времени t₃ от командоаппарата 10 поступает команда на переход электропривода в режим НПЧ (торможение).

При этом на время Dt_бл. командой "Блокировка электропривода", вырабатываемой в СИФУ 3 преобразователя 2 частоты, блокируются все восемнадцать каналов управления тиристорами.

Сигнал с первого выхода командоаппарата 10 "Fком." принимает значение логической "единицы". После снятия команды "блокировка электропривода" в момент времени t₃+t_бл. сигнал с третьего выхода командоаппарата "Разрешение f макс" также принимает значение логической "единицы". При этом программный регулятор 18 начинает вырабатывать линейно-возрастающий сигнал задания на амплитуду выходного напряжения преобразователя, поступающий через трехканальный коммутатор 14 на третий вход задатчика 15 управляющего напряжения низкой частоты. Темп нарастания напряжения на выходе программного регулятора 18 определяется уровнем сигнала с выхода запоминающего блока 20, в котором фиксируется значение тока двигателя в момент перехода из режима работы на естественной характеристике в режим частотного управления.

Напряжение на выходе задатчика 11 интенсивности удерживается на максимальном уровне сигналом, поступающим на его первый вход через трехканальный коммутатор 14 с четвертого выхода командоаппарата 10. Причем уровень сигнала на четвертом выходе командоапарата равен максимальному напряжению управления U_yмакс.

Таким образом, с момента времени t₃+t_бл. задатчик 15 вырабатывает низкочастотные сигналы, параметры которых задаются каналом 12 регулирования частоты и программным регулятором 18 амплитуды напряжения на выходе преобразователя 2 частоты.

Все каналы СИФУ 3 находятся в работе. Причем частота выходного напряжения остается постоянной и равна fмакс=f c/2. Амплитуда выходного напряжения в момент времени t₃+t_бл. задается максимальными углами _макс. управления тиристорами, соответствующими нулевому уровню напряжения управления амплитудой, поступающему из программного регулятора 18 амплитуды напряжения на выходе преобразователя 2 частоты.

Происходит торможение двигателя по характеристикам Г₁-Г_п до скорости, соответствующей точке "в" на характеристике "Б" (фиг. 2).

В момент времени t₄ (фиг. 3) фиксируется равенство по модулю напряжений на выходе программного регулятора 18 амплитуды напряжения и на выходе канала 9 регулирования амплитуды напряжения (значение U₁ на фиг. 3). При этом компаратор 17 переходит в зону отрицательного насыщения. Трехканальный коммутатор 14 переключается, и на третий вход ЗНЧ 15 поступает напряжение с выхода канала 9 регулирования амплитуды напряжения. Сигнал с четвертого выхода командоаппарата 10, блокировавший поступление в задатчик интенсивности 11 сигнала со второго выхода командоаппарата 10, отключается. На выходе задатчика интенсивности 11 формируется линейно-спадающий сигнал задания на частоту и амплитуду выходного напряжения преобразователя 2.

Двигатель тормозится до скорости, соответствующей точке "С" на частотной характеристике "В".

Таким образом, введение программного режима снижения амплитуды выходного напряжения преобразователя в момент перехода из режима бесконтактного коммутатора в режим НПЧ, позволяет осуществить безударный переходный процесс при торможении электродвигателя до заданной скорости.

При этом значительно повышается долговечности и надежность работы электропривода.