асинхронный частотно-регулируемый электропривод

Формула изобретения

Асинхронный частотно-регулируемый электропривод, содержащий двигатель с трехфазной обмоткой статора, непосредственный преобразователь частоты, составленный из трех групп тиристоров, соединенных в каждой группе по трехфазной мостовой схеме, с выводами для подключения к сети, выводы по постоянному току мостовых схем образуют выходы непосредственного преобразователя частоты, к которым подключены выводы фаз обмотки статора электродвигателя, а управляющие электроды тиристоров подключены к выходам блоков управления, задающий генератор плавно изменяемой частоты, командоаппарат, первый выход которого подключен к вторым входам блоков управления, а второй выход соединен с входом задающего генератора плавно изменяемой частоты, выход которого подключен к блоку задания закона соответствия напряжения частоте, датчики токов и напряжений обмоток статора двигателя, выходы которых соединены с входами вычислителя мгновенных значений фазных ЭДС двигателя, соединенного выходом с входом блока формирования сигнала модуля ЭДС, блок сравнения, подключенный входами к выходам блоков задания и формирования сигнала модуля ЭДС, а выходом-к входу регулятора модуля ЭДС, отличающийся тем, что электропривод дополнительно снабжен вычислителем момента двигателя, счетчиком импульсов, тремя постоянными запоминающими устройствами, тремя цифроаналоговыми преобразователями, формирователем сигналов отсутствия тока в фазах нагрузки, шестью логическими элементами ЗИ-НЕ, тремя RS-триггерами, семью формирователями импульсов, компаратором, блоком компараторов, кольцевой пересчетной схемой и мультиплексором, причем входы вычислителя момента соединены с входами датчиков тока и напряжения соответствующих фаз обмоток статора двигателя, а выход подключен к входам блока компараторов, выходы которых подсоединены к управляющим входам мультиплексора, входы которого подсоединены к выходам кольцевой пересчетной схемы, выходы упомянутого задающего генератора подсоединен с входу счетчика импульсов, S выходов которого подключены к входам каждого постоянного запоминающего устройства, а один из S выходов соединен с первым входом кольцевой персчетной схемы, m выходов первого, второго, третьего постоянных запоминающих устройств подключены соответственно к входам первого, второго, третьего цифроаналоговых преобразователей, к m+1 входам которых подключен выход регулятора модуля ЭДС, выход первого цифроаналогового преобразователя подсоединен к первому входу первого из упомянутых блоков управления и к входу компаратора, выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, подключенного выходом к второму входу кольцевой пересчетной схемы, выходы второго и третьего цифроаналоговых преобразователей подключены к первым входам второго и третьего блоков управления, третьи и четвертые входы блоков управления соединены с выходами второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого формирователей импульсов, входы которых попарно подключены к выходам трех RS-триггеров соответственно, входы которых подсоединены к выходам соответствующих шести логических элементов ЗИ-НЕ, первые входы каждого из которых соединены соответственно с выходами мультиплексора, вторые входы с выходами второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого формирователей импульсов, а третьи входы с соответствующими выходами формирователя сигналов отсутствия тока в фазах нагрузки, входы которого соединены с выходами датчиков тока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах судовых палубных механизмов грузовых, кабельных, автоматических, гвартовных, брашпильных лебедок.

Известен непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) для асинхронного электропривода [1] в котором в момент включения двигателя задают фиксированную величину сдвига переднего фронта сигнала на включение выпрямительной группы относительно переднего фронта модулирующей функции напряжения управления преобразователем, равную углу фазового сдвига основных гармоник напряжения и тока асинхронного двигателя при неподвижном роторе, которую сохраняют неизменной на время, определяемое задержкой измерения угла фазового сдвига основных гармоник напряжения и тока.

Основным недостатком данного преобразователя частоты для асинхронного электропривода является ограниченное время программного задания фазового сдвига переднего фронта модулирующей функции на время пуска двигателя.

Наиболее близким к изобретению является асинхронный частотно-регулируемый электропривод [2] содержащий двигатель с трехфазной обмоткой статора, непосредственный преобразователь частоты, составленный из трех групп тиристоров, соединенных в каждой группе по трехфазной мостовой схеме, с выводами для подключения к сети, а выводы по постоянному току мостовых схем образуют выходы непосредственного преобразователя частоты, к которым подключены выводы фаз обмотки статора электродвигателя, а управляющие электроды тиристоров подключены к выходам блоков управления, задающий генератор плавно изменяемой частоты, командоаппарат, первый выход которого подключен к вторым входам блоков управления, а второй выход соединен с входом задающего генератора плавно изменяемой частоты, выход которого подключен к блоку задания закона соответствия напряжения частоте, датчики токов и напряжений обмоток статора двигателя, выходы которых соединены со входами вычислителя мгновенных значений фазных ЭДС двигателя, соединенного выходом с входом блока формирования сигнала модуля э.д.с. блок сравнения, подключенный входами к выходам блоков задания и формирования сигнала модуля ЭДС, а выходом к входу регулятора модуля ЭДС.

В известном асинхронном электроприводе для грузоподъемного механизма, в котором с помощью вычислителя внутренней ЭДС двигателя, сумматоров, усилителей, выпрямителей фазных ЭДС и выпрямителей линейных ЭДС обеспечивается отрицательная обратная связь по модулю ЭДС. Сигнал по модулю ЭДС формируется на выходе одного сумматора и сравнивается в другом сумматоре с сигналом блока задания закона соответствия напряжения частоте. Рассогласование с выхода последнего сумматора поступает на вход регулятора. Напряжения управления для широтно-импульсной модуляции выходного напряжения НПЧ формируются как суммы выходного напряжения регулятора и сигналов, пропорциональным фазным ЭДС двигателя.

Недостатком указанного электропривода является существенное отличие формы вычисляемой внутренней ЭДС от теоретической синусоидальной формы, положенной в основу реализации устройств управления известным электроприводом.

Изобретения направлено на улучшение энергетических и динамических показателей электропривода путем уменьшения тормозных моментов при переходе с одной частоты вращения двигателя на другую, на повышение качества формирования токов в обмотках статора и повышения перегрузочной способности двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в асинхронный частотно-регулируемый электропривод, содержащий двигатель с трехфазной обмоткой статора, непосредственный преобразователь частоты, составленный из трех групп тиристоров, соединенных в каждой группе по трехфазной мостовой схеме, с выводами для подключения к сети, а выводы по постоянному току мостовых схем образуют выходы непосредственного преобразователя частоты, к которым подключены выводы фаз обмотки статора электродвигателя, а управляющие электроды тиристоров подключены к выходам блоков управления, задающий генератор плавного изменения частоты, командоаппарат, первый выход которого подключен к вторым входом управления, а второй выход соединен с входом задающего генератора плавно изменяемой частоты, выход которого подключен к блоку задания закона соответствия напряжения частоте, датчики токов и напряжений обмоток статора двигателя, выходы которых соединены с входами вычислителя мгновенных значений фазных ЭДС двигателя, соединенного выходом с входом блока формирования сигнала модуля ЭДС, блок сравнения, подключенный входами к выходам блоков задания и формирования сигнала модуля ЭДС, а выходом к входу регулятора модуля ЭДС, электропривод дополнительно снабжен вычислителем момента двигателя, счетчиком импульсов, тремя постоянными запоминающими устройствами, тремя цифроаналоговыми преобразователями, формирователем сигналов отсутствия тока в фазах нагрузки, шестью логическими элементами 3И-НЕ, тремя RS-триггерами, семью формирователями импульсов, компаратором, блоком компараторов, кольцевой пересчетной схемой и мультиплексором, причем входы вычислителя момента соединены с выходами датчиков тока и напряжения соответствующих обмоток статора двигателя, а выход подключен к входам блока компараторов, выходы которых подсоединены к управляющим входам мультиплексора, входы которого подсоединены к выходам кольцевой пересчетной схемы, выход упомянутого задающего генератора подсоединен к входу счетчика импульсов, S выходов которого подключены к входам каждого постоянного запоминающего устройства, а один из S выходов соединен с первым входом кольцевой пересчетной схемы, m выходов первого, второго, третьего постоянных запоминающих устройств подключены соответственно к входам первого, второго и третьего цифроаналоговых преобразователей, к m+1 входам которых подключен выход регулятора модуля ЭДС, выход первого цифроаналогового преобразователя подсоединен к первому входу первого из упомянутых блоков системы управления и к входу компаратора, выход которого соединен с входом первого формирователя импульсов, подключенного выходом ко второму входу кольцевой пересчетной схемы, выходы второго и третьего цифроаналогового преобразователей подключены к первым входам второго и третьего блоков управления, третьи и четвертые входы блоков управления соединены с выходами второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого формирователей импульсов, входы которых попарно подключены к выходам трех RS-триггеров соответственно, входы которых подсоединены к выходам соответствующих шести логических элементов 3И-НЕ, первые входы каждого из которых соединены соответственно с выходами мультиплексора, вторые входы с выходами второго, третьего, четвертого, пятого, шестого и седьмого формирователей импульсов, а третьи входы с соответствующими выходами формирователя сигналов отсутствия тока в фазах нагрузки, входы которого соединены с выходами датчиков тока.

На фиг. 1 изображен асинхронный частотно-регулируемый электропривод; на фиг. 2 схема блока управления и мостовая схема группы тиристоров силовой части, формирующей напряжение одной из выходных фаз преобразователя (в частности фазы "а"); на фиг. 3, 4 временные диаграммы, поясняющие принцип формирования управляющих выходных сигналов блока системы управления.

Электропривод содержит непосредственный преобразователь 1 частоты (фиг. 1), составленный из трех мостовых схем 2,3,4 тиристоров с блоками 5,6,7 управления. Выводы постоянного тока мостовых схем образуют выходы непосредственного преобразователя 1 частоты, к которым подключены выводы обмотки статора асинхронного двигателя 8.

Один выход командоаппарата 9 соединен с входом задающего генератора 10 плавно изменяющейся частоты, другой выход командоаппарата 9 подключен к вторым входам блоков 5-7 управления.

В цепи фаз обмотки статора асинхронного двигателя 8 включены датчики 11-13 напряжений и датчики 14-16 токов. Выходы датчиков подключены к входам вычислителя 17 фазных ЭДС двигателя 8, выход которого соединен со входом блока 13 формирования сигнала модуля ЭДС.

Выход задающего генератора 10 плавно изменяющейся частоты соединен с входом блока 19 задания закона соответствия напряжения частоте и входом счетчика 20 импульсов.

Регулятор 21 модуля ЭДС двигателя 8 соединен с объединенными m+1 входами цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) 22-24.

Выходы счетчика 20 импульсов подключены к входам постоянных запоминающих устройств (ПЗУ) 25-27, выходы которых подсоединены к m входам ЦАП 22-24, где m число ступеней аппроксимации, укладывающихся в период синусоидального управляющего напряжения, формируемого на выходе ЦАП 22 (23, 24). Один из S по разрядных выходов счетчика 20 импульсов подключен к первому входу кольцевой пересчетной схемы (КПС) 28. Выходы КПС 28 соединены с входами мультиплексора 29 (многоканальный коммутатор с несколькими управляющими входами).

Выход ЦАП 22 через компаратор 30 и формирователь 31 импульсов соединен с вторым входом КПС 28.

Управляющие входы мультиплексора 29 соединены с выходами блока 32 компараторов, а входы блока 32 компараторов соединены с выходом вычислителя 33 момента двигателя 8.

Выходы датчиков 14-16 тока подключены к входам формирователя 34 сигнала отсутствия тока в фазах нагрузки. Выходы элементов ЗИ-НЕ 35-40 соединены с соответствующими входами RS-триггеров 41-43. Выходы формирователей 44-49 импульсов, мультиплексора 29, формирователя 34 сигнала отсутствия тока в фазах нагрузки подключены к входам элементов 3И-НЕ 35-40.

Выходы блока 18 формирования сигнала модуля ЭДС закона соответствия напряжения частоте соединены со входами сумматора 50, выход которого подключен к входу регулятора 21 модуля ЭДС.

Фазный блок (фиг. 2) управления содержит кольцевой сдвигающий регистр 51, инвертирующий усилитель 52, систему 53 импульсно-фазового управления (СИФУ), элементы 3И 54-59, усилители-формирователи 60-65.

Вход а (+) инвертирующего усилителя 52 объединен с вторым входом СИФУ 53, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 52. Выходы СИФУ 53 соединены с вторыми входами элемента 3И 54-59, на первые входы которых подаются сигналы с выходов кольцевого сдвигающего регистра 51.

На третьи входы элементов 3И 54-56, подаются сигналы 1а+, поступающие с выходов формирователя импульсов 48, а на третьи входы элементов 3И 55, 57 и 59 подаются сигналы 1а с выходов формирователя импульсов 49. Выходы элементов 3И 54-59 соединены с входами усилителей-формирователей 60-65, выходы аА(+) аС(-) которых соединены с управляющими электродами тиристоров, формирующих выходное напряжение фазы а.

На фиг. 1-4 обозначены: А.В.С фазы питающей сети; а.в.с фазы нагрузки, а+, а- напряжения управления соответственно анодной и катодной групп тиристоров выходной фазы а; 1а+, 1а- сигналы, разрешающие единичным уровнем работу тиристоров анодной или катодной группы выходной фазы а; f з.г. частота выходного сигнала кольцевой пересчетной схемы 28, равная nfвых. где n коэффициент деления КПС; И_29-5, И_29-6 выходные импульсы пятого и шестого выходов мультиплексора 29; аА+, Аа- сигналы включения анодной и катодной групп тиристоров выходной фазы а.

Электропривод работает следующим образом.

В электроприводе обеспечивается однозонное регулирование частоты вращения асинхронного двигателя (вниз от номинального значения частоты вращения).

Номинальная частота вращения двигателя достигается при его работе на частоте питающей сети, при этом в каждой из мостовых схем 2-4 включается одна пара встречно-параллельных тиристоров, подключенных к различным фазам питающей сети. Команда на работу электропривода в указанном режиме (режим коммутатора) подается из командоаппарата 9.

При работе преобразователя в режиме преобразования частоты выходные сигналы кольцевого сдвигающего регистра 51 (фиг. 2) блокируются.

В этом режиме продолжительность работы катодных и анодных групп тиристоров преобразователя определяется (фиг. 2, 3, 4) синусоидальными модулирующими сигналами, поступающими с выходов ЦАП 22-24 на входы СИФУ 54 в блоках 5-7, а также выходными сигналами 1а+, 1а-, 1в+, 1в-, 1с+, 1с- - формирователей 48-49. Выходная частота преобразователя определяется задающим генератором 10, управляемым от командоаппарата 9.

С выхода задающего генератора 10 последовательность импульсов (фиг. 3, 4) поступает на счетчик 20 импульсов с параллельными поразрядными выходами для развертывания сигналов задания во времени, к выходам счетчика 20 импульсов подключены ПЗУ 25-27 с запрограммированными ступенчатой аппроксимацией синусоидами со сдвигом по фазам на 120^o эл. Значения синусоидальных управляющих напряжений, определяющих амплитуды напряжений на выходе преобразователя частоты, регулируются выходным сигналом регулятора 21 модуля ЭДС, поступающим на m+1 входы цифроаналоговых преобразователей 22-24.

Момент асинхронного двигателя формируется в результате взаимодействия тока в обмотке статора с магнитным потоком, связанным с данной обмоткой.

Магнитный поток, как более инерционную величину, ограниченную сверху условиями насыщения магнитной системы, в процессе работы поддерживают неизменным или изменяют по сравнению с током в значительно более узких пределах, причем не для регулирования момента, а для улучшения использования силового оборудования электропривода (двигателя и преобразователя).

Этой цели служит введение отрицательной обратной связи по модулю ЭДС. Сигналы с датчиков 14-16 тока и датчиков 11-13 напряжений поступают на вычислитель 17 фазных ЭДС двигателя. На выходе блока 18 формируется сигнал модуля ЭДС, который затем суммируется с задающим управляющим напряжением в сумматоре 52 и поступает на регулятор 21. Однако в системе асинхронного электропривода с отрицательной обратной связью по модулю ЭДС двигателя в диапазоне частот до 10 Гц необходимо увеличивать значения токов холостого хода двигателя практически до I х.х. I ном. для обеспечения работы электропривода при номинальном моменте нагрузки.

Для устранения указанного недостатка в электроприводе введена отрицательная обратная связь по моменту двигателя. На вход вычислителя 33 момента подаются сигналы с датчиков 14-16 тока и датчиков 11-13 напряжений. Выходной сигнал вычислителя 33 момента, проходя через блок 32 компараторов на управляющие входы мультиплексора 29, определяет режим его работы. Выходные сигналы КПС 28 соответствуют частоте, синусоидальных модулирующих сигналов. Синхронизация работы КПС 28 осуществляется по входному сигналу а(+) ЦАП 22 через компаратор 30 и формирователь 31 импульсов. В соответствии с управляющими сигналами от блока компараторов 32 мультиплексор 29 производит выборку выходных сигналов КПС-28, сдвигая выходные импульсы КПС 28 относительно синусоидальных модулирующих напряжений на фиксированный угол, который соответствует величине момента.

Одновременно с каналом раздельного управления групп тиристоров, состоящим из формирователя 34 сигналов отсутствия тока в фазах нагрузки, элементов 3И-НЕ 35-40, RS-триггеров 41-43 и формирователей 44-49 импульсов, выходные сигналы мультиплексора 29 определяют совместно с синусоидальными модулирующими напряжениями величину и форму выходного напряжения преобразователя.

На фиг. 3, 4 приведены диаграммы состояний элементов схемы с различными углами сдвига модулирующих сигналов а+, а- относительно выходных сигналов мультиплексора И₂₉.

Изменение формы отрезков синусоидальных управляющих напряжений в функции момента двигателя позволяет автоматически регулировать соотношение выпрямленного и инверторного режимов работы катодных и анодных групп тиристоров в преобразователе в течение полупериода выходной частоты. За счет уменьшения длительности работы групп тиристоров в выпрямительном режиме на холостом ходу и при малых нагрузки ограничиваются значения токов х.х. двигателя на уровне I х.х.0,2-0,4 I ном. что повышает энергетические показатели электропривода и исключает "шаговый" эффект при работе асинхронного двигателя в зоне низких частот.