УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

Полезная модель относится к области управления частотно-регулируемых приводов асинхронных электродвигателей переменного тока с короткозамкнутым ротором и может быть использовано в электрическом транспорте и промышленности.
Частотно-регулируемые приводы (ЧРП) асинхронных электродвигателей (АД) нашли самое широкое применение, как в промышленности, так и в электрическом железнодорожном транспорте, а также в метро и городском электрическом транспорте. О применении ЧРП в указанных областях написано, в частности, в монографии А.В.Клевцова «Средства оптимизации потребления электроэнергии», Москва, издательство Солон-Пресс, 2004 г., 239 стр., в учебнике «Основы электрического транспорта» под общей редакцией профессора М.А.Слепцова, Москва, ред. ACADEMA, 2006 г., 463 стр. Основой ЧРП является автономный инвертор напряжения (АИН), который преобразует постоянное напряжение в трехфазное переменное напряжение с частотой, изменяющейся в широких пределах. Обычно АИН содержит силовые транзисторы по два силовых транзистора на каждую фазу, а управляются силовые транзисторы АИН сигналами синусоидальной формы, преобразованными из широтно-импульсных модулированных сигналов, и воздействующими на базу силовых транзисторов по каждой фазе по отдельности. От качества синусоидальности управляющих сигналов зависят качество характеристик АД, электрические потери в ЧРП и АД, ресурс работы АД и электромагнитная совместимость всей системы с другими радио- и телеметрическими системами. В указанных выше источниках информации отмечается, что используемые в настоящее время устройства, реализующие способ формирования управляющих синусоидальных сигналов на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обладают практически неустранимыми недостатками, а именно: модулирование синусоидальных управляющих сигналов другими наложенными частотами, проникновение узких импульсных сигналов в обмотки АД, разрушение изоляции обмотки, что приводит к дополнительным энергетическим потерям, влияет на механические характеристики АД. Кроме этого, сложно как программное управление частотой ШИМ сигнала, так и реализация схемного решения формирования синусоидальной переменной частоты. Это обусловлено тем, что в зависимости от количественного значения частоты ШИМ сигнала меняются длительности их импульсов. Как известно из теории спектров, каждый из этих импульсов обладает своим частотным спектром, каждый из которых оказывает определенное отрицательное влияние, отмеченное выше, кроме полезной основной гармоники сформированного синусоидального сигнала.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является устройство управления электроприводом, содержащее последовательно соединенные блок управления, трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения, трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, причем блок управления подключен при помощи выключателя к слаботочному источнику питания постоянного тока, а трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения подключен к силовому источнику питания постоянного тока, который подключен к силовому источнику питания трехфазного переменного тока (Клевцов А.В., Средства оптимизации потребления электроэнергии, Москва, издательство Солон-Пресс, 2004, с.46-66, рис.3.14).
Недостатком известного устройства являются значительные энергетические потери в частотно-регулируемом приводе, связанные с формированием управляющих синусоидальных сигналов на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), возникновение очень коротких импульсов в выходном сигнале трехфазного мостового транзисторного автономного инвертора напряжения при переключении транзисторов АИН с частотами до 20-25кГц, что отрицательно влияет на состояние межвитковой изоляции электродвигателей, а также приводит к повышенным потерям энергии в самих транзисторах.
Задачей полезной модели является повышение качества управляющего синусоидального сигнала за счет исключения широтно-импульсной модуляции при его формировании с одновременным упрощением системы управления частотами, повышение надежности и экономичности ЧРП в целом.
Технический результат достигается тем, что в устройстве управления электроприводом, содержащем последовательно соединенные блок управления, трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения, трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, причем блок управления подключен при помощи выключателя к слаботочному источнику питания постоянного тока, а трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения подключен к силовому источнику питания постоянного тока, который подключен к силовому источнику питания трехфазного переменного тока, согласно заявляемой полезной модели, блок управления содержит три последовательно соединенных однофазных генератора синусоидальных напряжений соответственно фаз А, В, С, блок фазовой задержки и блок регулирования частоты, при этом к выходу слаботочного источника питания одновременно подключены вход однофазного генератора синусоидального напряжения фазы А и вход блока фазовой задержки, первый и второй выходы которого соединены с вторыми входами однофазных генераторов синусоидального напряжения соответственно фаз В и С, вторые выходы которых соединены соответственно с базами силовых транзисторов фаз В и С трехфазного мостового транзисторного автономного инвертора напряжения, база силового транзистора фазы А которого соединена со вторым выходом однофазного генератора синусоидального напряжения фазы А, причем первый и второй входы блока регулирования частоты соединены с третьими выходами однофазных генераторов синусоидальных напряжений соответственно фаз А и В.
Таким образом, технический результат достигается тем, что управляющие синусоидальные сигналы АИН ЧРП формируются непосредственно однофазными генераторами синусоидального напряжения, без применения блока формирования программы частотно-регулируемых ШИМ сигналов и сложных электрических схем их формирования, что устраняет недостатки ШИМ сигналов и обеспечивает высокое качество синусоидальности управляющих сигналов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная блок-схема устройства управления электроприводом.
На чертеже цифрами обозначены:
1 - блок управления,
2 - трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор напряжения с базами силовых транзисторов фаз А, В, С,
3 - трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором,
4 - выключатель,
5 - слаботочный источник питания постоянного тока,
6 - силовой источник питания постоянного тока,
7 - силовой источник питания трехфазного переменного тока,
8 - однофазный генератор синусоидальных напряжений фазы А,
9 - однофазный генератор синусоидальных напряжений фазы В,
10 - однофазный генератор синусоидальных напряжений фазы С,
11 - блок фазовой задержки,
12 - блок регулирования частоты.
Устройство управления электроприводом содержит последовательно соединенные блок 1 управления, трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор 2 напряжения, трехфазный асинхронный электродвигатель 3 с короткозамкнутым ротором. Блок 1 управления подключен при помощи выключателя 4 к слаботочному источнику 5 питания постоянного тока, а трехфазный мостовой транзисторный автономный инвертор 2 напряжения подключен к силовому источнику 6 питания постоянного тока, который подключен к силовому источнику 7 питания трехфазного переменного тока.
Заявляемое устройство управления электроприводом отличается тем, что блок 1 управления содержит три последовательно соединенных однофазных генератора синусоидальных напряжений соответственно 8, 9 и 10 фаз А, В, С, блок 11 фазовой задержки и блок 12 регулирования частоты.
В качестве генераторов 8, 9 и 10 используются стандартные низкочастотные RC генераторы с самовозбуждением, которые обеспечивают формирование управляющего синусоидального сигнала хорошего качества (от единиц герц до нескольких килогерц).
К выходу слаботочного источника 5 питания одновременно подключены вход однофазного генератора 8 синусоидального напряжения фазы А и вход блока 11 фазовой задержки. Первый и второй выходы блока 11 фазовой задержки соединены с вторыми входами однофазных генераторов синусоидального напряжения соответственно 9 и 10 фаз В и С, вторые выходы которых соединены соответственно с базами В и С трехфазного мостового транзисторного автономного инвертора 2 напряжения, база А которого соединена со вторым выходом однофазного генератора 8 синусоидального напряжения фазы А. Первый и второй входы блока 12 регулирования частоты соединены с третьими выходами однофазных генераторов синусоидальных напряжений соответственно 8 и 9 фаз А и В.
Устройство управления электроприводом работает следующим образом.
На силовой источник 6 питания постоянного тока подается трехфазное переменное напряжение, которое преобразуется в силовом источнике 6 в постоянный ток и подается на коллекторы силовых транзисторов фаз А, В и С трехфазного мостового транзисторного автономного инвертора напряжения. Частотно-регулируемый электропривод готов к работе. С включением в работу частотно-регулируемого электропривода включается выключатель 4 и с выхода блока 5 слаботочного источника питания постоянного тока напряжение одновременно поступает на вход однофазного генератора 8 синусоидальных напряжений фазы А, который начинает генерировать синусоидальное напряжение заданной частоты, которое с выхода генератора 8 поступает на базу силового транзистора фазы А, и на вход блока 11 фазовой задержки, который осуществляет временную задержку включения в работу однофазных генераторов 9 и 10 синусоидального напряжения соответственно фаз В и С (задерживает запуск однофазного генератора 9 синусоидальных напряжений фазы В на 120° электрических градусов по отношению к фазе А, а запуск однофазного генератора 10 синусоидальных напряжений фазы С на 240° электрических градусов по отношению к фазе А). Блок 12 регулирования частоты осуществляет настройку выходной частоты, одинаковой для всех управляющих синусоидальных сигналов. Частота управляющих сигналов, формируемых однофазным генератором 10 синусоидальных напряжений фазы С связана с частотой, формируемой генератором 9, который практически выполняет функцию усилителя.
Таким образом, генераторы 8, 9 и 10 начинают генерировать трехфазную симметричную систему частот, синусоидальную по форме, и заданной одинаковой частоты..
Использование заявляемой полезной модели позволит формировать качественные трехфазные синусоидальные управляющие сигналы с регулируемой частотой за счет исключения широтно-импульсной модуляции при его формировании, что обеспечивает снижение потерь электроэнергии в АИН, повышение надежности и экономичности частотно-регулируемого электропривода в целом с одновременным упрощением системы управления частотами.