RU1830609C - Устройство дл управлени асинхронным электроприводом - Google Patents

Abstract

Использование: дл  регулировани  производительности насосных и компрессорных установок в химической, нефтедобывающей промышленности, в атомной энергетике, в коммунальном хоз йстве, в мелиорации и других отрасл х. Сущность: введенные в устройство дл  управлени  асинхронным двигателем , питаемым от сети через управл емый выпр митель и инвертор, датчики напр жени , фильтраты и усилители-ограничители, св занные с входами блока двухзонного регулировани , обеспечивают оптимальный закон управлени  асинхронным двигателем в режиме пуска, торможени  и стабилизации частоты вращени . 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности, к частотно-управл емым электроприводам, и может быть использовано в различных отрасл х промышленности: химической, нефтедобывающей, атомной энергетике, в коммунальном хоз йстве , в мелиорации и в других отрасл х, - дл  регулировани  производительности насосных и компрессорных установок.

Целью изобретени   вл етс  уменьшение электрических потерь в электроприводе с вентил торным моментом статического сопротивлени  и повышение точности стабилизации скорости электропривода.

На фиг. 1 - функциональна  схема устройства Дл  управлени  асинхронным электроприводом; на фиг. 2 -- функциональна  схема задающего генератора; на фиг. 3 - функциональна  схема второго фильтра и второго усилител -ограничител .

На фиг. 1 представлена функциональна  схема устройства дл  управлени  асинсл

с

хронным электроприводом, содержаща  управл емый выпр митель 1 с системой управлени  выпр мителем 5, соединенной своим входом с выходом регул тора тока 6, подключенного одним из своих входов к выходу датчика тока 8 управл емого выпр мител  1, сглаживающий LC-фильтр 2, включенный между выходом управл емого выпр мител  1 и входом инвертора 3, систему управлени  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 двухэонного регулировани  16, регул тор частоты 13 с двум  входами, соединенный одним из своих входов с выходом пульта управлени  17 и св занный своим вторым входом через импульсно-аналоговый преобразователь 18с выходом задающего генератора 10, первый датчик напр жени  19, первый фильтр 20 и первый усилитель- ограничитель 21, последовательно соедисо со

о о о ю

ненные между собой, второй датчик напр жени  22, второй фильтр 12, второй усилитель-ограничитель 14. При этом вход первого датчика напр жени  19 подключен к входным питающим выводам управл емого выпр мител  1, второй датчик напр жени  22 соединен своим входом со входом инвертора 3, а выходом - с первым входом блока двухзонного регулировани  16, второй вход которого подсоединен к выходу первого усилител -ограничител  21, третий вход - к выходу второго усилител -ограничител  14, св занному своим входом через фильтр 12 с выходом датчика тока 8 и первым входом датчика ЭДС 11, соединенного вторым своим входом с выходом второго датчика напр жени  22, а выход регул тора частоты 13 подключен ко второму входу регул тора тока 6. В качестве возможного варианта реализации блок двухзонного регулировани  16 выполнен в виде интегрального регул тора 23, Охваченного отрицательной обратной св зью через компараторы-ограничители верхнего 24 и нижнего 25 уровней, причем пр мые входы компараторов 24 и 25 подключены к выходу регул тора 23, инверсный вход компаратора-ограничител  25 нижнего уровн  подключен к источнику питани  +имин, первый и второй входы интегрального регул тора 23, инверсный вход компаратора-ограничител  24 верхнего уровн  и выход регул тора 23  вл ютс , соответственно, первым, вторым , третьим входами и выходом блока двухзонного регулировани  16. Пульт управлени  17 выполнен, например, в виде задатчика интенсивности, регул тора давлени , уровн , концентрации и др.

На фиг. 2 представлен пример реализации функциональной схемы задающего генератора 10, содержащей последовательно соединенные интегратор 26, компаратор 27 и формирователь импульсов 28, св занный выходом с управл ющим входом ключа 29, подсоединенного параллельно интегрирующему конденсатору интегратора 26, причем, вход интегратора 26, второй вход компаратора 27 и выход формировател  28  вл ютс , 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 усилител -ограничител  14, содержащей инерционное звено 30, охваченное отрицательной обратной св зью через компараторы-ограничители верхнего 31 и нижнего 32 уровней, при этом инверсные пр мые входы компараторов 31 и 32 подключены к выходу инерционного звена 30, а

инверсные входы - к источникам питани  +11маке и +UMHH, причем вход и выход инерционного звена 30  вл ютс , соответственно , входом второго фильтра 12 и выходом

второго усилител -ограничител  14.

Предложенное устройство дл  управлени  асинхронным электроприводом (см.фиг.1) работает следующим образом. На выходе пульта управлени 17(например , задатчика интенсивности, регул тора давлени , уровн , концентрации) формируетс  сигнал задани  частоты, поступающий на один из входов регул тора частоты 13, на второй вход которого поступает аналотовый сигнал аи отрицательной обратной св зи фактической частоты через импульсно-аналоговый преобразователь- 18 с выхода задающего генератора 10. В функции величины и знака рассогласовани , регул тор частоты 13 (например, выполненный пропорционально-интегральным) формирует на выходе сигнал задани  1а активной составл ющей статорного тока двигател  (пропорциональный требуемому

значению /г электромагнитного момента

двигател ), поступающий на один из входов регул тора тока 6. Посредством воздействи  регул тора тока 6 (на второй вход которого поступает с выхода датчика тока 8

сигнал отрицательной обратной св зи по фактическому току а в звене посто нного тока электропривода) через систему управлени  выпр мителем 5 на фазовый угол включени  тиристоров управл емого выпр мител  1, поддерживаетс  фактическое значение тока а в звене посто нного тока на уровне заданного значени  1а. Датчик ЭДС 11, на входы которого поступают сигнал U с выхода датчика напр жени  22 (пропорциональный выходному напр жению инвертора напр жени  3) и сигнал а с выхода датчика тока 8, вычисл ет приближенно модуль ЭДС двигател  на выражени :

E U-la R, (1)

где R - активное сопротивление статорной обмотки двигател .

Посредством фильтра 12 выдел етс  сигнал посто нной составл ющей из пульсирующего выходного сигнала а датчика тока 8, поступающий на вход второго усилител -ограничител  14, формирующего сигнал согласно выражени  (6). Второй уси- литель-ограничитель 14 обеспечивает ограничение своего выходного сигнала на нижнем уровне, равном Мин , и верхнем уровне, равном н. Первый усилитель-ограничитель 21, на вход которого с входных

питающих шин управл емого выпр мител  1 через датчик напр жени  19 и первый фильтр 20 поступает сглаженное напр жение , пропорциональное напр жению питающей сети Uc, формирует на своем выходе сигнал

Uc, при Uc UH;

г uc, при ис ин; 4

LUH, при Uc UH,

(2)

где UH - номинальное напр жение питающей сети;

На первый вход блока двухзонного регулировани  16 (первый вход интегрального регул тора 23) поступает с выхода датчика напр жени  22 сигнал U, пропорциональный напр жению двигател , на второй вход блока 16 (второй вход регул тора 23) - поступает сигнал Uc с выхода первого усилител -ограничител  21, на третий вход блока 16 (инверсный вход компаратора-ограничител  24 верхнего уровн ) - поступает сигнал с выхода второго усилител -ограничител  14. В режиме работы, характеризующемс  превышением питающего напр жени  сети Uc над выходным напр жением двигател  (Uc U), интегрирующий усилитель 23 блока 16 находитс  в состо нии ограничени  входного сигнала в положительной пол рности с уровнем, определ емым компаратором-ограничителем 24 верхнего уровн , т.е. на уровне текущего выходного сигнала второго усилител -ограничител  14. Таким образом , при работе усилител -ограничител  14 в его линейной зоне, путем воздействи  выходных сигналов датчика ЭДС 11 и блока двухзонного регулировани  16 на интегрирующий и опорный входы задающего генератора 10, задаетс  инвертору 3 частота f

) U (1/1н)

(3)

и в электроприводе реализуетс  экономический закон управлени  (по минимуму электрических потерь в двигателе), дл  которого справедливы соотношени :

.,3,,

cos const;

I la/COS (/)

где fn. Ен, IH - номинальные значени  частоты , ЭДС и статорного тока двигател , соответственно;

рн - угол в номинальном режиме между векторами ЭДС и статорного тока двигател ;

I - модуль статорчого тока двигател , 5Верхнее ограничение второго усилител -ограничител  14 обеспечивает в режиме разгона привода с токами двигател , более номинального значени , ограничение магнитного потока двигател  на уровне номиналь0 ного значени  Фн : нижнее ограничение усилител -ограничител  14 обеспечивает при малых нагрузках в двигательном режиме и при режиме торможени  ограничение минимального значени  магнитного потока

5 двигател  на уровне Фмм &н .

В режиме работы с присадкой питающего напр жени , характеризующимс  превышением напр жени  двигатели над напр жением питающей сети (Uc U), ин0 тегральный регул тор 23 блока 16 выходит из состо ни  ограничени  на верхнем уровне , остава сь с положительной пол рностью выходной сигнал регул тора 23 уменьшаетс  по амплитуде до значени ,

5 при котором (из-за происход щего снижени  амплитуды сигнала на опорном входе задающего генератора 10) уменьшающеес  значение магнитного потока двигател  не обеспечит восстановление и поддержание

0 равенства напр жени  двигател  с питающим напр жением сети (Uc U). Поддержание последнего соотношени  обеспечивает высокую точность стабилизации выходной частоты электропривода независимо от сни5 жени  питающего напр жени  сети (в пределах 0,85 от номинального значени  питающего напр жени ). За счет след щего за сетью изменени  уровн  уставки мак- симального выходного напр жени 

0 двигател , в зависимости от величины питающего напр жени  регулируетс  максимальное значение противо-ЭДС инвертора (двигател ) таким образом, чтобы независимо от изменени  величины напр жени  пита5 ющей сети достигалось устойчивое регулирование тока в главной цепи электропривода . В результате указанного управлени  в электроприводе достигаетс  устойчива  стабилизаци  частоты, момента и тока деигате0 л  при пониженных значени х напр жени  сети. Компаратор-ограничитель нижнего уровн  25 блока 16 обеспечивает минимальное ограничение выходного сигнала блока 16 {из-за возможных перерегулирований

5 вниз выходного сигнала интегрального регул тора 23) во избежание чрезмерного динамического ослаблени  магнитного потока двигател  (которое может привести к медопустимому снижению перегрузочной способности двигател  по моменту).

Дл  электропривода с вентил торным моментом статического сопротивлени  ее-, личина выходного токоограничени  в двига- тельном режиме () задаетс  амплитудной уставки ограничени  выходного сигнала положительной пол рности регул тора частоты (на уровне 1амакс /соз рн. При наличии начального пускового момента статического сопротивлени  (вызванного трением в подшипниках, уплотнени х, затвердением смазки), выходной ток двигател  устанавливаетс  при пуске равным токоограничению, в результате чего двигатель преодолевает начальный момент сопротивлени  и разгон етс  с номинальным значением потока, облада  высокой перегрузочной способностью по моменту. В тормозном режиме(wVa)) регул тор частоты 13 формирует на своем выходе нулевой сигнал (1а 0), активна  составл юща  статор- ного тока двигател  а(в звене посто нного тока) снижаетс  до нул , блок двухзонного регулировани  16 формирует на своем выходе сигнал уставки нижнего ограничени  1мин. обеспечивающий нижний уровень ослаблени  магнитного потока двигател  при торможении; двигатель привода тормозитс  с нулевым значением активной составл ющей тока и ослабленным магнитным потоком под воздействием момента статического сопротивлени  на валу рабочего механизма (насоса, компрессора).

Задающий генератор 10, выполненный по функциональной схеме на фиг. 2, работает следующим образом: на выходе интегратора формируетс  пилообразное напр жение с периодом, обратно пропорциональным уровню сигнала Uio-i на первом входе генератора, и амплитудой, равной уровню сигнала Uio-2 на втором входе генератора. При достижении амплитудой выходного сигнала интегратора 26 уровн  сигнала Uio-2. измен етс  пол рность выходного сигнала компаратора 27, формируетс  узкий импульс нормированной длительности на выходе формировател  28, на врем  длительности которого открываетс  ключ 29, разр жаетс  конденсатор обратной св зи интегратора 26, далее работа повтор етс . При этом частота выходных узких пр моугольных импульсов задающего генератора находитс  из выражени :

fro-Uio-i/Uio-2

(7)

Второй фильтр 12 и второй усилитель- ограничитель 14, выполненные по функциональной схеме (см.фиг.З), работают следующим образом: инерционное звено 30/ в статическом режиме, реализует линейную передаточную функцию вида (5), определ емую отношением сопротивлений резистора обратной св зи и входного резистора, и одновременно реализует фильтрующее звено низкой частоты, выдел ющее посто нную составл ющую из фактического пульсирующего сигнала датчика тока 8 (посто нна  времени фильтра определ етс  произведением величин сопротивлени  резистора и емкости конденсатора в обратной св зи инерционного звена 30). Посредством компараторов-ограничителей верхнего 31 и нижнего 32 уровней осуществл етс  ограничение наибольшего и наименьшего выходного сигнала усилител -ограничител  14 (на уровне сигналов +имакс и +имин. поступающих на пр мые входы компараторов 31 и 32),

В результате описанного функционировани  предложенного устройства (фиг.1) в основном рабочем диапазоне изменени 

частоты и нагрузки электропривода (с вентил торным характером изменени  момента статического сопротивлени ), в двигателе создаетс  управление при посто нстве коэффициента мощности (4); пропорционально измен ютс  модуль 1, активна  составл юща  1 а статорного тока двигател  и магнитный поток Фдвигател , что означает создание экономического закона управлени  асинхронным двигателем, предложенного

М.П.Костенко:

Ф {и

где ft - электромагнитный момент двигател .

В предложенном устройстве достигаетс  уменьшение электрических потерь дл  электропривода с вентил торным моментом статического сопротивлени  за счет того , что с изменением нагрузки на валу двигател  привода измен етс  его магнитный поток в функции (8) от величины электромагнитного момента двигател  (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 значени , преобразователи частоты электроприводов работают с меньшими значени ми выходных напр жений (чем в прототипе), снижаютс  электрические

потери в преобразователе частоты (из-за уменьшени  выдел емых потерь в RC-цеп х силовых тиристоров, транзисторов инвертора ). С учетом того, что насосные установки, компрессоры, как правило, в ночное врем  (составл ющее 1/3 суток) работают при нагрузке равной и менее 0,5 от номинальной, то применение предложенного устройства дл  таких условий работы обеспечивает экономию электроэнергии на 1-3%.

В частности, общие электрические потери в асинхронном двигателе содержат две составл ющие:

ZPg PFe + РМ (Рре)н f1 5 Ф +

+ (Рм)н I2,

(9)

где Рре, Рм - потери в стали и меди двигател ;

(РРе)н, (РМ)н - номинальные потери в стали и меди двигател ;

f, Ф, I - относительные значени  частоты , потока и статорного тока двигател  (за базовые величины принимаютс  номинальные значени  указанных величин).

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

0,5 ДРн,

(Ю)

дл  переменных значений частоты и потока потери в двигателе определ ютс  из выражени ;

SPg 0,5 АРН f1-5 Ф + 2.

(11)

где ДРН (1 - /н)Рн - потери в двигателе в номинальном режиме;

т}н, Рн - номинальные значени  КПД и выходной мощности двигател .

С учетом того, что потери в RC-цеп х инвертора преобразовател  частоты пропорциональны выходной частоте и квадрату выходного напр жени , а также составл ют на практике в номинальном режиме около 1% от номинальной выходной мощности преобразовател , то эти потери можно определить из формулы

ДР с ±iO,01 Рн-f-U2

(12)

где U - относительное значение выходного напр жени  преобразовател  (по отношению к его номинальному значению).

Дл  электропривода с номинальной мощностью двигател  75 кВт, имеющий КПД - 0,92, при работе на выходной частоте

0,7 TH с вентил торным моментом статиче ского сопротивлени  вида с с f2, рассчитаем электрические потери из выражений (11) и (12) дл  устройства-прототипа;

Р2 ZPg + ЛРрс - 0.5 6К0.7)1-5 (0,7)2 +

+(0,7)2 +0,001-75-0,7 (0,7) 1- 2,46 кВт (14) .

дл  предложенного устройства.

Таким образом, в предложенном устройстве достигаетс  экономи  электроэнер- гии (по сравнению с прототипами) при работе с вентил торным моментом статического сопротивлени  в рассмотренном режиме , равна :

AP/PH-ZPl ZP2-100

Рн

3,50 -2,46 75

100 1,4 %

(15)

В предложенном устройстве достигаетс  повышение точности стабилизации скорости электропривода при изменении момента статического сопротивлени . Повышение

точности стабилизации скорости электропривода (с внешним датчиком частоты статора ) при изменении момента нагрузки достигаетс  за счет поддержани  посто нного значени  (на уровне номинального)

скольжени  двигател  путем регулировани  потока двигател  в функции момента согласно экономичного закона управлени . Вследствие стабилизации двух величин; выходной частоты (астатическим регул тором

частоты) и скольжени  (путем задани  посто нной величины скольжени ), - в предложенном электроприводе обеспечиваетс  автоматическа  стабилизаци  на заданном уровне скорости двигател  при изменении

момента нагрузки на валу двигател . Следовательно , по сравнению с стройством-про- тотипом (в котором при стабилизации частоты и магнитного потока изменение скорости электропривода определ етс  наклоном механической характеристики двигател ) точность стабилизации скорости увеличиваетс  на величину номинального скольжени  двигател , т.е. примернона2-3%.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  управлени  асинхронным электроприводом, содержащее управл емый выпр митель с выводами дл  подключени  питающей сети и с системой

   управлени , соединенной своим входом с выходом регул тора тока, подключенного одним из своих входов к выходу датчика тока управл емого выпр мител , сглаживающий LC-фильтр, включенный между выхо- дом управл емого выпр мител  и входом инвертора, систему управлени  инвертором , входом соединенную с выходом зада- ющего генератора, один из входов которого подключен к выходу датчика ЭДС.а другой вход - к выходу блока двухзонного регулировани , регул тор частоты с двум  входами , один из которых служит дл  соединени  с выходом пульта управлени , второй вход через импульсно-аналоговый преобразователь соединен с выходом задающего генератора, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности стабилизации скорости и уменьшени  электрических потерь в электроприводе с вентил торным моментом статического сопротивлени , в

   него введены первый датчик напр жени , первый фильтр и первый усилитель-ограничитель , последовательно соединенные между собой, второй датчик напр жени , второй фильтр, второй усилитель-ограничитель, а блок двухзонного регулировани  снабжен третьим входом, при этом вход первого датчика напр жени  подключен к выводам дл  подключени  питающей сети управл емого выпр мител , второй датчик напр жени  входом соединен с входом инвертора, а выходом - с первым входом блока двухзонного регулировани , второй вход которого подсоединен к выходу первого усилител -ограничител , третий вход- к выходу второго усилител -ограничител , соединенному входом через второй фильтр с выходом датчика тока и первым входом датчика ЭДС, вторым входом соединенного с выходом второго датчика напр жени , а выход регул тора частоты подключен к второму входу регул тора тока.

   Фиг./

   Ц..

   Li

   Фиг. 2