ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ ОТВЕТСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Полезная модель относится к частотно регулируемым электроприводам, в частности к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов тепловых объектов, например, котлоагрегатов, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Известен преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, звено постоянного тока, инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, блок управления, первый входом, которого соединен с датчиком технологического параметра, второй его вход подключен к выходу датчика, сигнализирующего о нарушении электроснабжения преобразователя, при этом блок управления выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью осуществлять функцию регулирования выходной частоты и напряжения преобразователя по сигналу, поступающему на первый вход, а также с возможностью осуществлять функцию «преодоления провалов напряжения» по сигналу, поступающему на второй вход (см. Компания Emotron. Преобразователь частоты. Руководство по эксплуатации, 2004 г. стр.51, п.5.4.37 «Преодоление провалов напряжения»).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность из-за того, что при снижении выходной частоты преобразователя к вращающемуся ротору электродвигателя прикладывается тормозной электромагнитный момент, ускоряющий останов приводимого технологического механизма. Это делает электропривод и приводимый технологический механизм чувствительными к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией, содержащий выпрямитель, выход которого через звено постоянного тока соединен с входом инвертора напряжения, при этом выход инвертора напряжения подключен к электродвигателю переменного тока, блок управления, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения преобразователя частоты, вход которого подключен к входу выпрямителя, причем последний соединен с системой электроснабжения, второй вход блока управления соединен с выходом датчика тока преобразователя частоты, вход которого подключен к выходу инвертора напряжения, третий вход блока управления соединен с датчиком технологического параметра, причем первый выход блока управления соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения, второй выход - соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения (см. Электроприводы с преобразователями частоты серии ЭПВ (исполнение 1). Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 2008 г. стр.11, п.4.2.1. «Функциональная схема электропривода», стр.74, п.7.14. «Использование режима поиска частоты (пуск на вращающийся двигатель)»).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность при кратковременных провалах или пропадании напряжения системы электроснабжения. Это обусловлено следующим. После восстановления напряжения включается режим поиска частоты выходного напряжения инвертора, который обеспечивает автоматическое определение скорости вращения ротора электродвигателя и включение преобразователя частоты в работу на вращающийся двигатель без бросков тока. Для реализации этого режима работы используется специальный поисковый алгоритм - частотное сканирование двигателя на пониженном напряжении по критерию достижения минимума тока статора. При этом время поиска частоты может достигать 2 секунды, что для электроприводов ответственных механизмов недопустимо.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в обеспечении надежной работы частотно-регулируемых электроприводов ответственных механизмов при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе частоты с широтно-импульсной модуляцией для электроприводов ответственных механизмов, содержащем выпрямитель, выход которого через звено постоянного тока соединен с входом инвертора напряжения, при этом выход инвертора напряжения подключен к электродвигателю переменного тока, блок управления, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения преобразователя частоты, вход которого подключен к входу выпрямителя, причем последний соединен с системой электроснабжения, второй вход блока управления соединен с выходом датчика тока преобразователя частоты, вход которого подключен к выходу инвертора напряжения, третий вход блока управления соединен с датчиком технологического параметра, причем первый выход блока управления соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения, второй выход - соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения, согласно изменению, он снабжен датчиком состояния обратного клапана, блоком вычисления скорости вращения ротора и блоком вычисления момента инерции ротора, первый вход которого соединен с третьим выходом блока управления, второй его вход подключен к датчику состояния обратного клапана, а выход блока вычисления момента инерции ротора соединен с первым входом блока вычисления скорости вращения ротора, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, при этом выход блока вычисления скорости вращения ротора соединен с четвертым входом блока управления.
Технический результат заключается в уменьшении времени перезапуска преобразователя частоты, т.е. повторного пуска двигателя без бросков тока после кратковременного провала или пропадания напряжения в системе электроснабжения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией для электроприводов ответственных механизмов.
Заявляемое устройство содержит выпрямитель 1, выход которого через звено постоянного тока 2 соединен с входом инвертора напряжения 3 с широтно-импульсной модуляцией. Выход инвертора напряжения 3 подключен к электродвигателю переменного тока 4, который приводит во вращение технологический механизм 5, например, насос. Устройство также содержит блок управления 6, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения 7 преобразователя частоты. Вход датчика сигнализации 7 подключен к входу выпрямителя 1, который соединен с системой электроснабжения 8. Второй вход блока управления 6 соединен с выходом датчика тока 9 преобразователя частоты, при этом вход датчика выходного тока 9 подключен к выходу инвертора напряжения 3. Третий вход блока управления 6 соединен с датчиком технологического параметра 10, например, расхода или давления. Первый выход блока управления 6 соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения 3, второй выход блока управления соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения. Устройство снабжено дополнительным датчиком состояния обратного клапана, блоком вычисления скорости вращения ротора 11 и блоком вычисления момента инерции ротора 12. Первый вход блока вычисления момента инерции ротора 12 соединен с третьим выходом блока управления 6. Второй вход блока вычисления момента инерции ротора 12 подключен к датчику состояния обратного клапана 13, а выход блока вычисления момента инерции ротора 12 соединен с первым входом блока вычисления скорости вращения ротора 11, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока управления 6. Выход блока вычисления скорости вращения ротора 11 соединен с четвертым входом блока управления 6. При этом блок управления 6 выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью регулирования выходной частоты и выходного напряжения преобразователя, а также выполнения других функций.
Благодаря дополнительному блоку вычисления момента инерции ротора, блоку вычисления скорости вращения ротора, датчику состояния обратного клапана вычисление мгновенной скорости вращения ротора электродвигателя начинается с момента поступления сигнала с датчика об отсутствии напряжения в системе электроснабжения. К моменту подачи напряжения на вход преобразователя частоты расчетная скорость вращения ротора известна, поэтому время, которое необходимо на поиск частоты напряжения инвертора, сводится к нулю. При этом инвертор напряжения как в прототипе осуществляет плавное нарастание выходного напряжения до уровня, соответствующего найденной частоте с соблюдением соотношения Uном/fном=const. Общее время перезапуска преобразователя частоты после кратковременного провала или пропадания напряжения в системе электроснабжения сокращается, что повышает надежность работы электропривода.
откр
закр
Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией для электроприводов ответственных механизмов работает следующим образом. При пуске преобразователя в блоке управления 6 по известным алгоритмам вычисляют параметры математической модели электродвигателя 4, которые для различных режимов его работы могут уточняться и корректироваться. Одновременно, при пуске электродвигателя 4 от преобразователя частоты в блоке вычисления момента инерции ротора 12 по известным алгоритмам вычисляют момент инерции ротора двигателя с учетом приведенных к валу ротора моментов инерции всех вращающихся масс технологического механизма, например, насоса. При этом в блоке 12 вычисляют и запоминают два момента инерции ротора двигателя для открытого J и закрытого J состояния обратного клапана, расположенного после насоса в технологической линии.
В рабочем режиме по сигналу с датчика технологического параметра 10 блок управления 6 формирует два сигнала управления f(t), u(t) для инвертора напряжения 3, которые осуществляют регулирование выходной частоты и выходного напряжения преобразователя частоты так, чтобы обеспечить заданные технологические параметры, например, расход или давление. Одновременно по параметрам математической модели электродвигателя, выходной частоте и выходному напряжению преобразователя частоты, моменту инерции ротора двигателя в блоке 11 вычисляют текущее (мгновенное) значение скорости вращения ротора.
1
1
1
1
1
откр
2
закр
В момент времени t на первый вход блока управления 6 поступает сигнал с датчика сигнализации 7 о нарушении электроснабжения в системе 8. Блок управления 6 прерывает рабочий режим регулирования преобразователя частоты от датчика технологического параметра 10 и переводит его в аварийный режим регулирования. При этом с блока управления 6 подается команда на запирание инвертора напряжения 3, без перевода его в рекуперативный режим, т.е. без приложения к вращающемуся ротору электродвигателя тормозного электромагнитного момента. Это позволяет сохранить энергию инерционного вращения электродвигателя 4 и приводимого им механизма 5. Одновременно для момента времени t запоминают вычисленную скорость вращения ротора ω. При этом напряжение в звене постоянного тока преобразователя частоты сохраняется неизменное, так как инвертор заперт. Энергия магнитного поля электродвигателя гасится в роторной цепи. Двигатель постепенно останавливается на выбеге, так как за счет инерционных свойств ротор продолжает вращение, а в результате действия момента сопротивления скорость вращения ротора снижается. С момента времени t в блоке вычисления скорость вращения ротора 11 по его начальной скорости ω и моменту инерции ротора для открытого обратного клапана J вычисляют текущую (мгновенную) скорость ротора ω(t). В момент времени t с датчика состояния обратного клапана 13 на второй вход блока вычисления момента инерции ротора 12 поступает сигнал, что обратный клапан закрыт. С этого момента времени в блоке 11 при вычислении мгновенной скорости ротора ω(t) в расчетах принимают момент инерции ротора для закрытого обратного клапана J.
3
3
3
ном
ном
В момент времени t на первый вход блока управления 6 поступает сигнал с датчика сигнализации 7 о восстановлении напряжения в системе электроснабжения 8. Блок управления 6 прерывает режим аварийного регулирования преобразователя частоты и запоминает скорость вращения ротора ω. С учетом допустимого темпа разгона электродвигателя и скорости ротора ω блок управления 6 вычисляет частоту выходного напряжения f для инвертора. Постепенно увеличивая выходное напряжение U инвертора с частотой f, выводят преобразователь частоты в режим управления U/f=const. При этом контролируют, чтобы выходной ток преобразователя частоты не превысил максимального значения.
4
В момент времени t включают рабочий режим регулирования преобразователя частоты по технологическому параметру с датчика 10.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить надежность работы частотно-регулируемого электропривода ответственного механизма при кратковременных провалах или пропадании напряжения в системе электроснабжения, осуществить перезапуск преобразователя частоты на вращающийся двигатель за более короткий промежуток времени после восстановления напряжения в системе электроснабжения.