ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники
Полезная модель относится к частотно регулируемым электроприводам и, в частности, к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). В таких преобразователях инвертор формирует напряжение методом ШИМ, а регулируемые выходные параметры (частота и напряжение) преобразователя определяются частотой и амплитудой основной гармоники модулированного напряжения, формируемого инвертором [1].
Уровень техники
Известен преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, звено постоянного тока, инвертор напряжения с ШИМ и блок управления, снабженный первым входом, предназначенным для приема сигнала от датчика технологического параметра, и вторым входом, к которому подключен выход 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, проступающему на первый вход, а также с возможностью осуществлять функцию «преодоления провалов напряжения» по сигналу, поступающему на второй вход [2].
В устройстве [2] эта функция осуществляется следующим образом. Сигнал о нарушении электроснабжения поступает на второй вход с выхода датчика напряжения звена постоянного тока. Когда это напряжение падает до заданного уровня, блок управления прерывает регулирование по технологическому параметру и снижает выходную частоту со скоростью, обеспечивающей поддержание напряжения звена постоянного тока на заданном уровне за счет рекуперации энергии вращения электродвигателя и
приводимого технологического механизма. При возобновлении электроснабжения возрастает напряжение звена постоянного тока и после достижения им заданного уровня блок управления восстанавливает выходную частоту преобразователя.
Недостаток известного устройства состоит в том, что при снижении выходной частоты преобразователя к вращающемуся ротору электродвигателя прикладывается тормозной электромагнитный момент, ускоряющий останов приводимого механизма. Это делает электропривод и приводимый технологический механизм чувствительными к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - обеспечить такое функционирование преобразователя при нарушениях электроснабжения, которое позволит погасить энергию магнитного поля электродвигателя, рекуперируя ее в звено постоянного тока, и тем самым, подготовить электродвигатель к последующему пуску, но при этом по возможности сохранить энергию инерционного вращения электродвигателя и приводимого им механизма, не прикладывая к ним тормозного момента.
Технический результат полезной модели состоит в улучшении начальных условий для разгона двигателя после восстановления электроснабжения и в снижении чувствительности привода к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Предметом полезной модели является преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, звено постоянного тока, инвертор напряжения с ШИМ, блок управления, снабженный первым входом, предназначенным для приема сигнала от датчика технологического параметра, и вторым входом, к которому подключен выход датчика, сигнализирующего о нарушении электроснабжения преобразователя, при этом блок управления выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью:
- регулирования выходной частоты и выходного напряжения преобразователя по сигналу на первом входе в отсутствие сигнала на втором входе;
- фиксации выходной частоты, снижения с выходного напряжения преобразователя до заданного значения и запирания инвертора после поступления сигнала на второй вход;
- отпирания инвертора, увеличения выходного напряжения преобразователя и возобновления регулирования выходной частоты и выходного напряжения преобразователя по сигналу на первом входе после снятия сигнала с второго входа;
Полезная модель имеет развития и уточнения, относящиеся к частным случаям ее осуществления, состоящие в том что:
- блок управления может быть снабжен дополнительным входом, к которому подключен дополнительно введенный датчик напряжения звена постоянного тока, и выполнен с возможностью ограничения скорости снижения выходного напряжения преобразователя при превышении сигналом на указанном дополнительном входе заданного значения
- блок управления может быть снабжен дополнительным входом, к которому подключен выход дополнительно введенного датчика выходного тока преобразователя, и выполнен с возможностью ограничения скорости нарастания выходного напряжения преобразователя при превышении сигналом на указанном дополнительном входе заданного значения.
- блок управления может быть выполнен с возможностью запирания инвертора с задержкой, отсчитываемой от момента появления сигнала на втором входе или от момента снижения выходного напряжения преобразователя до заданного значения;
- блок управления может быть снабжен дополнительным входом, предназначенным для подключения датчика скорости вращения электродвигателя, и выполнен с возможностью изменения выходной
частоты преобразователя в соответствии с сигналом на указанном дополнительном входе;
- датчик, сигнализирующий о нарушении электроснабжения, может быть выполнен с возможностью контроля переменного напряжения и подключен входом к входу выпрямителя.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена блок-схема устройства. На фиг.2 и 3 приведены диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемого и известного преобразователей соответственно.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 показаны, входящие в состав преобразователя частоты: выпрямитель 1, звено 2 постоянного тока (представляющее собой сглаживающий LC-фильтр), инвертор 3 напряжения с ШИМ и блок 4 управления. Блок 4 снабжен первым входом 5, предназначенным для приема сигнала от датчика технологического параметра, и вторым входом 6, к которому подключен выход датчика 7, сигнализирующего о нарушении электроснабжения преобразователя.
Блок 4 выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью осуществления в зависимости от сигнала, поступающего на вход 6, следующих функций.
В отсутствие на входе 6 сигнала о нарушении электроснабжения преобразователя, блок 4 функционирует в режиме регулирования выходной частоты и выходного напряжения преобразователя по сигналу, проступающему на вход 5 от датчика технологического параметра.
После поступления на вход 6 сигнала о нарушении электроснабжения преобразователя блок 4 прерывает режим рабочего регулирования, фиксирует выходную частоту преобразователя, снижает его выходное напряжение до заданного значения и запирает инвертор 3.
После снятия с входа 6 сигнала о нарушении электроснабжения преобразователя блок 4 отпирает инвертор 3, увеличивает выходное напряжение преобразователя и возобновляет режим рабочего регулирования.
На фиг.1 в составе преобразователя также показаны: датчик 8 напряжения звена постоянного тока и датчик 9 выходного тока преобразователя.
Кроме того, на фиг.1 показаны питаемый преобразователем частоты электродвигатель 10 с датчиком 11 скорости вращения и технологический механизм (например, насос) 12, приводимый во вращение электродвигателем 10.
Датчики 8, 9 и 11 подключены к дополнительным входам 13, 14 и 15 блока 4 соответственно.
Диаграммы фиг 2 и фиг.3 позволяют сравнить работу предлагаемого устройства с прототипом и иллюстрируют получение указанного выше технического результата полезной модели.
Устройство работает следующим образом.
Датчик 7 контролирует электроснабжение преобразователя и при снижении напряжения питающей сети ниже заданного значения выдает на вход 6 логический сигнал низкого уровня (см. фиг.2а) о нарушении электроснабжения. В отсутствие сигнала с датчика 7 на вход 6 поступает высокий логический уровень, и блок 4 управляет преобразователем в режиме рабочего регулирования. В этом режиме регулирование выходной частоты и выходного напряжения, осуществляемое блоком 4, направлено на поддержание заданного значения сигнала, проступающего от датчика технологического параметра на вход 5.
1
При появлении на входе 6 сигнала низкого уровня (момент t на фиг.2 и фиг.3) блок 4 прерывает рабочее регулирование и переходит в режим управления преобразователем при нарушении электроснабжения. В этом режиме блок 4 фиксирует текущую выходную частоту и снижает выходное
напряжение инвертора 3. При этом энергия электромагнитного поля электродвигателя 10 рекуперируется в звено 2 постоянного тока, подзаряжая его конденсатор.
2
2
3
1
2
Сравнивая напряжение, поступающее на вход 13 от датчика 8, с заданным допустимым значением, блок 4 ограничивает скорость снижения выходного напряжения, не допуская перенапряжения на звене 2. После снижения выходного напряжения до заданного (как правило, близкого к нулю) значения (момент t) и, следовательно, гашения энергия электромагнитного поля электродвигателя 10 блок 4 выдает команду на запирание инвертора 3. Момент запирания инвертора 3 (в интервале от t до t) блок 4 может определять, отсчитывая задержку от момента t, когда на входе 6 появляется сигнал о нарушении электроснабжения, или от момента t, когда устанавливаемое блоком 4 выходное напряжение снизится до заданного значения.
3
После снятия сигнала низкого уровня со второго входа 6 в момент t (т.е. восстановления нормального электроснабжения) блок 4 выдает команду на отпирание инвертора 3 и постепенное увеличение выходного напряжения. В процессе увеличения выходного напряжения блок 4 может устанавливать выходную частоту, например, равной или пропорциональной ранее зафиксированному значению или в соответствии с сигналом на дополнительном входе 15, к которому, подключен датчик 11 скорости вращения электродвигателя 10.
Скорость нарастания выходного напряжения преобразователя может быть ограничена блоком 4 для поддержания на допустимом уровне максимального пускового тока, сигнал о величине которого поступает на вход 14 от датчика 9. Для этого блок 4 снижает скорость нарастания выходного напряжения преобразователя при превышении сигналом на входе 14 заданной величины.
4
После разгона электродвигателя 10 нарастающим выходным напряжением преобразователя блок 4 возвращается (в момент t) в режим
3
рабочего регулирования. Момент возврата может определяться блоком 4, например, путем отсчета заранее определенной задержки относительно момента t.
На фиг.2 и фиг.3 показаны кривые изменения электромагнитного вращающего момента М (фиг.2г и фиг.3б) и угловой скорости ω (фиг.2д и фиг.3в) двигателя, питаемого предлагаемым и известным преобразователем соответственно. Из сравнения этих кривых видно, что в отличие от известного предлагаемый преобразователь при возникновении нарушений электроснабжения снижает уровень выходного напряжения преобразователя, сохраняя его выходную частоту. При этом обеспечивается гашение магнитного поля электродвигателя без приложения тормозного электромагнитного момента (т.е. момента с отрицательным знаком) и, следовательно, без ускоренного замедления скорости вращения ω электродвигателя. В результате улучшаются начальные условия для быстрого восстановления скорости со и снижается чувствительность электропривода к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Эффективность предлагаемого решения была подтверждена экспериментально.
Источники информации
1. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. Учебник. М., «Академия», 2006 г.
2. Компания Emotron. Преобразователь частоты. Руководство по эксплуатации. 2004 г. Стр.51, пункт 5.4.37 «Преодоление провалов напряжения».