частотно-регулируемый электропривод переменного тока

Формула изобретения

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока, содержащий двигатель с короткозамкнутым ротором, микропроцессорный контроллер с возможностью формирования сигналов управления для реализации широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону выходного напряжения, датчики постоянного выпрямленного напряжения и тока потребления, трехфазный мостовой инвертор с датчиком температуры нагрева силовых ключей инвертора, трехфазный мостовой выпрямитель, входы которого соединены с силовой сетью, первый выходной вывод трехфазного мостового выпрямителя соединен с первыми входами трехфазного мостового инвертора и датчика постоянного выпрямленного напряжения, второй выходной вывод трехфазного мостового выпрямителя через последовательно соединенный датчик тока потребления подключен ко вторым входам трехфазного мостового инвертора и датчика постоянного выпрямленного напряжения, к трем выходам трехфазного мостового инвертора подсоединен двигатель, входы управления трехфазного мостового инвертора соединены с выходами микропроцессорного контроллера, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами датчиков тока потребления, постоянного выпрямленного напряжения и температуры, четвертый вход микропроцессорного контроллера соединен с выходом датчика регулируемого параметра, отличающийся тем, что в него введены сбалансированная резистивная схема, интегрирующая емкость, дифференциальный нормирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входная диагональ сбалансированной резистивной мостовой схемы соединена соответственно с первым и вторым выходными выводами трехфазного мостового выпрямителя, к одному выводу выходной диагонали сбалансированной резистивной мостовой схемы подключены интегрирующая емкость параллельно соответствующему резистору упомянутой схемы и первый входной вывод дифференциального нормирующего усилителя, ко второму входному выводу которого подключен второй вывод диагонали сбалансированной резистивной мостовой схемы, а выход дифференциального нормирующего усилителя подключен к входу АЦП, выход которого соединен с пятым входом микропроцессорного контроллера, осуществляющим изменение ширины формируемого импульса так, чтобы рабочий ток, протекающий по обмоткам двигателя в каждый реальный момент времени, не изменялся и определялся суммой напряжений постоянной составляющей и напряжением пульсирующей составляющей рабочего напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам управления электродвигателями переменного тока и, в частности, к частотно-регулируемым электроприводам асинхронных двигателей общего применения, обеспечивающим повышенную надежность электропривода и удлинение его срока службы.

Частотно-регулируемый электропривод находит широкое применение в промышленности, на транспорте и в коммунальном хозяйстве, в электроприводах машин, станков и оборудования, работающего длительное время в автономном режиме, что предъявляет повышенные требования к надежности устройств.

Известным техническим решением является частотно-регулируемый электропривод стандартных асинхронных двигателей переменного тока с короткозамкнуным ротором.

Известные частотно-регулируемые электроприводы [1-3] и наиболее близкое по совокупности существенных признаков решение [4] (прототип), содержащие двигатель, трехфазный мостовой инвертор, емкость сглаживающего фильтра, трехфазный мостовой выпрямитель, микропроцессорный контроллер, формирующий сигналы управления широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по синусоидальному закону, датчики, измеряющие выпрямленное напряжение и потребляемый ток, температуру нагрева силовых инверторов, а также внешний регулируемый механический параметр устройств, например величину давления жидкости в магистрали при работе электропривода в насосных агрегатах.

Недостатком известных аналогов и прототипа является низкая надежность устройств.

В известных технических решениях питание электропривода производится от сети через мостовые трезфазных выпрямители. Рабочее напряжение на выходе мостовых трехфазных выпрямителей имеет постоянную и пульсирующую составляющие. Уменьшение амплитуды напряжения пульсации достигается путем использования емкостных и индуктивно-емкостных фильтров, содержащих дорогостоящие крупногабаритные элементы: дроссель и конденсаторы фильтра (обычно в качестве конденсаторов фильтра используются электролитические конденсаторы). В течение времени эксплуатации под воздействием повышенной температуры в корпусе работающего преобразователя частоты происходит высыхание электролита в электролитическом конденсаторе и, как следствие этого, уменьшение емкости конденсатора фильтра, что ухудшает фильтрацию напряжения пульсации. Амплитуда постоянной составляющей и амплитуда напряжения пульсации зависит от величины потребляемого тока. Время непрерывной работы электролитических конденсаторов при повышенной температуре сокращается, что снижает надежность преобразователя частоты.

Если формируемая ШИМ микропроцессорным контроллером определяется только величиной напряжения постоянной составляющей рабочего напряжения, то присутствующая пульсирующая составляющая напряжения изменяет рабочий ток в обмотках двигателя, что приводит к пульсированию полезного механического момента двигателя.

Поскольку частота колебаний величины напряжения пульсирующей составляющей рабочего напряжения в шесть раз выше частоты силовой сети, то напряжение пульсирующей составляющей выступает как вредная помеха, приводящая к дополнительному нагреву двигателя за счет увеличения магнитных потерь в материале двигателя.

Дополнительный нагрев двигателя требует повышения эффективности охлаждения двигателя или периодического выключения двигателя для его охлаждения.

Следовательно все указанные выше недостатки снижают надежность преобразователя.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в повышении надежности преобразователя частоты.

Решение этой задачи достигается тем, что частотно-регулируемый электропривод переменного тока, содержащий двигатель с короткозамкнутым ротором, микропроцессорный контроллер с возможностью формирования широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по синусоидальному закону, датчики постоянного напряжения и тока потребления, трехфазный мостовой инвертор с датчиком температуры нагрева силовых ключей инвертора, трехфазный мостовой выпрямитель, входы которого соединены с силовой сетью, первый выходной вывод трехфазного мостового выпрямителя соединен с первыми входами трехфазного мостового инвертора и датчика напряжения, второй выходной вывод трехфазного мостового выпрямителя через последовательно соединенный датчик тока подключен ко вторым входам трехфазного мостового инвертора и датчика напряжения, к трем выходам трехфазного мостового инвертора подсоединен двигатель, входы управления трехфазного мостового инвертора соединены с выходами микропроцессорного контроллера, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами датчиков тока, напряжения и температуры, четвертый вход микропроцессорного контроллера соединен с выходом датчика регулируемого параметра, например, датчика давления, отличающийся тем, что дополнительно введены сбалансированная резистивная мостовая схема, интегрирующая емкость, дифференциальный нормирующий усилитель и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), входная диагональ сбалансированной резистивной мостовой схемы соединена соответственно с первым и вторым выходными выводами трехфазного мостового выпрямителя, к одному выводу выходной диагонали сбалансированной резистивной мостовой схемы подключена интегрирующая емкость и первый входной вывод дифференциального нормирующего усилителя, ко второму входному выводу которого подключен второй вывод выходной диагонали сбалансированной резистивной мостовой схемы, а выход усилителя подключен ко входу АЦП, выход АЦП соединен с пятым входом микропроцессорного контроллера.

Совокупность существенных признаков позволяет в каждый текущий момент времени учитывать напряжение как постоянной, так и пульсирующей составляющих на выходе мостового трехфазного выпрямителя. Значение постоянной составляющей рабочего напряжения используется для формирования закона изменением ШИМ, а измеренное значение пульсирующей составляющей используется для корректировки этого закона. При этом на обмотку двигателя подается такой сигнал, в котором влияние значение пульсирующей составляющей значительно ослаблено.

Таким образом, предложенные существенные признаки позволяют исключить пульсирование полезного механического момента двигателя, снизить дополнительный нагрев двигателя за счет снижения магнитных потерь в материале двигателя и тем самым повысить надежность преобразователя.

Совокупность существенных признаков позволяет повысить надежность устройства, весогабаритные характеристики и снизить себестоимость изделия.

На фиг. 1 приведена схема частотно-регулируемого электропривода переменного тока.

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока содержит (см. фиг. 1) трехфазный мостовой выпрямитель 1, входы которого подключены к силовой сети. Первый выходной вывод 2 трехфазного мостового выпрямителя соединен с первым входом 3 датчика постоянного выпрямленного напряжения 4 и первым входом 5 трехфазного мостового инвертора 6, со входом управления 7. Трехфазный мостовой инвертор 6 установлен на общем теплоотводе с трехфазным мостовым выпрямителем 1. Второй вывод 8 трехфазного мостового выпрямителя через последовательно включенный датчик потребляемого тока 9 соединен с вторым входом 10 датчика постоянного напряжения 4 и вторым входом 11 трехфазного мостового инвертора 6. К трем выходам 12, 13, 14 трехфазного мостового инвертора 6 подключен двигатель переменного тока 15 с короткозамкнутым ротором.

Входы управления 16-21 трехфазного мостового инвертора через вход управления 7 соединены с выходами микропроцессорного контроллера 22. Первый вход 23 микропроцессорного контроллера связан с выходом датчика выпрямленного постоянного напряжения 4. Второй вход 24 микропроцессорного контроллера связан с выходом датчика потребляемого тока 9. Третий вход 25 микропроцессорного контроллера соединен с выходом датчика температуры 26, закрепленным на общем теплоотводе, измеряющий температуру нагрева силовых ключей инвертора и диодов трехфазного мостового выпрямителя. Четвертый вход 27 микропроцессорного контроллера соединен с выходом внешнего датчика давления 28.

Каждое плечо трехфазного мостового инвертора 6 содержит последовательно соединенные силовые ключи 29-30, 31-32 и 33-34, параллельно которым подключены возвратные силовые диоды 35-36, 37-38 и 39-40.

К управляющим электродам силовых ключей подключены выходы промежуточных усилителей 41-42, 43-44 и 45-46, осуществляющих усиление и развязку сигналов с выходов микропроцессорного контроллера. Силовые ключи укреплены на охлаждающем радиаторе, на котором закреплен датчик температуры 26, измеряющий температуру нагрева силовых ключей.

Между первым 2 и вторым 8 выводами трехфазного мостового выпрямителя включена сбалансированная мостовая схема, состоящая из резисторов 47-50. Выходная диагональ мостовой схемы, точки соединения резисторов 47-48 и 49-50 подключены ко входам дифференциального нормирующего усилителя 51. Параллельно резистору 50 подсоединена интегрирующая емкость 52. К выходу дифференциального нормирующего усилителя подключен вход аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 53, выход которого соединен с пятым входом 54 микропроцессорного контроллера 22.

Частотно-регулируемый электропривод переменного тока работает следующим образом. После подачи сетевого напряжения, рабочее напряжение на выходе трехфазного мостового выпрямителя 1 имеет постоянную и пульсирующую составляющую напряжение питания. Величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения для трехфазной сети не зависит от величины тока потребления и определяется только напряжением силовой сети. Постоянную составляющую напряжения с выхода трехфазного мостового выпрямителя измеряют датчиком постоянного напряжения 4.

Микропроцессорный контроллер 22 по величине напряжения постоянной составляющей рабочего напряжения формирует определенную широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) выходного напряжения по синусоидальному закону и реализует систему управления частотно-регулируемого электропривода с одновременным изменением частоты и напряжения на двигателе.

Микропроцессорный контроллер формирует ширину импульсов пропорционально величине напряжения постоянной составляющей рабочего напряжения. В тоже время, мгновенное рабочее напряжение на выходе трехфазного мостового выпрямителя представляет сумму двух составляющих напряжений: постоянной составляющей и пульсирующей составляющей. При неизменной ширине формируемого импульса ток в обмотке двигателя будет пропорционален текущему значению рабочего напряжения, а с величиной тока однозначно связан полезный механический момент двигателя. Ток двигателя таким образом будет иметь сумму токов постоянной составляющей и пульсирующей составляющей. Как известно, частота колебаний тока пульсирующей составляющей в шесть раз выше частоты силовой сети, то это приводит к дополнительному нагреву двигателя за счет магнитных потерь в материале двигателя.

Сбалансированная мостовая схема, собранная на резисторах 47-50 совместно с интегрирующей емкостью 52 и дифференциальным нормирующим усилителем 51, позволяет выделить и пронормировать из выпрямленного рабочего напряжения величину напряжения пульсирующей составляющей. С помощью АЦП 53 напряжение пульсирующей составляющей оцифровывается и вводится в микропроцессорный контроллер для коррекции ШИМ. Коррекция ШИМ приводит к изменению ширины формируемого импульса таким образом, чтобы рабочий ток, протекающий по обмоткам двигателя в каждый реальный момент времени не изменялся и определялся бы суммой напряжений постоянной составляющей и напряжением пульсирующей составляющей рабочего напряжения. При этом частота колебаний напряжения пульсирующей составляющей как бы преобразовывается до рабочей частоты преобразователя частоты и тем самым исключаются магнитные потери. Рабочий ток потребления измеряется датчиком тока 9.

Сигналы управления ШИМ формируются в микропроцессорном контроллере и через промежуточные усилители 41-46 управляют работой силовых ключей трехфазного инвертора. Бестрансформаторное подключение электропривода к средним точкам соединения силовых ключей при синусоидальной ШИМ обеспечивает синусоидальные токи в обмотках двигателя. Для уменьшения перегрева силовых ключей используется общий теплоотвод на все силовые полупроводниковые приборы преобразователя. С теплоотводом связан датчик температуры 26, сигнал с которого вводится в микропроцессорный контроллер и используется при формировании сигналов защиты преобразователя частоты.

Микропроцессорный контроллер вырабатывает дополнительные сигналы для защиты электропривода от бросков тока, от возникновения сквозных токов через силовые ключи, превышения температуры, от обрыва и перекоса фаз, от прямого пуска двигателя (включения на полное напряжение).

Реализация системы управления частотно-регулируемого электропривода достигается путем использования сигнала регулируемого параметра, например, внешнего датчика давления 28, позволяющего получить данные о максимальном и минимальном значении давления в магистрали и соответствующей величине внешнего механического момента.

Использование полностью выпрямленного рабочего напряжения для формирования ШИМ позволяет повысить надежность работы, повысить весогабаритные характеристики преобразователя частоты, снизить нагрев двигателя.

Это позволяет существенно увеличить срок службы и обеспечить повышение надежности системы.

Источники информации:

1. Патент США 4419615, кл. 318/811 от 6.12.1983 г.

2. Преобразователь частоты для регулируемого электропривода широкого применения, А.В. Кудрявцев и др., Электротехника, 1995, 7, с. 18-24.

3. Привода и управление. Danfoss VLT 3500 HV-AC. Частотные преобразователи. Руководство по эксплуатации, MD.35.B1.50, с. 6.

4. Объектно-ориентированный частотно-регулируемый асинхронный электропривод на современной элементной базе / В.Н. Остриров и др., Электротехника, 1995, 7, с. 26-29.