УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
Полезная модель относится к области радиоэлектроники, а именно к системам управления, и может быть использована для регулирования частоты вращенмя трехфазных асинхронных электродвигателей при постоянном моменте.
Для управления асинхронными электродвигателями, вращающими различные машины и механизмы с переменной скоростью, используются специальные электронные устройства - трехфазные преобразователи со стабилизированной или регулируемой частотой и с изменяющимся выходным напряжением. При этом наибольший интерес для практики представляют преобразователи, в которых регулирование частоты и напряжения производится согласно закону, обеспечивающему постоянство момента, когда поддерживается характеристика U/f const. Такие преобразователи реализуют один из трех известных способов регулирования выходного напряжения:
МПК: Н02Р 21/00, Н02Р 7/42
2)широтный на основной частоте;
3)широтно-импульсный на повышенной частоте модуляции.
Два последних способа широтного регулирования осуществляются при неизменной амплитуде импульсов выходного напряжения.
Известно множество схемных реализаций перечисленных выше способов регулирования выходного напряжения преобразователей, которые зависят от мощности электродвигателя, диапазона регулирования скорости, требуемого уровня надежности и КПД преобразователя и других рабочих характеристик двигателя и характеристик управления. В частности, как показала практика, в случае щирокого диапазона регулирования скорости двигателя преобразователи с амплитудным управлением обеспечивают более высокий коэффициент полезного действия (94-96/.) по сравнению с преобразователями широтного типа регулирования.
Так, известен отечественный преобразователя типа ТПТР-10-230-3200 по ТУ 16-435.003-83, паспорт ИЖТШ.435.222.002 ПС (функциональная схема и основные характеристики преобразователя прилагаются). Преобразователь состоит из двух функциональных частей: силовой и схемы управления и реализует амплитудное регулирование выходного напряжения. Силовая часть содержит управляемьй вьшрямитель, сглаживающий фильтр, ограничитель напряжения, датчик тока, инвертор и блоки защиты. Схема управления служит для управления функциональными блоками силовой части преобразователя.
Преобразователь осуществляет двойное пр-аобразование напряжения: вначале переменное напряжение частоты 50 Гц преобразуется в постоянное, а затем, постоянное напряжение преобразуется в переменное с задаваемой в нескольких диапазонах частотой (от 40 до 3200 Гц) и амплитудой (от 46 до 230 В). Первое преобразование производится управляемым выпрямителем, второе - инвертором напряжения. Регулирование по амплитуде осуществляется выпрямителем, а по частоте - инвертором.
Кроме таких недостатков, как большие габариты и масса, данный преобразователь обладает низкой электро-магнитной совместимостью, что приводит к помехам в сети и снижению коэффициента мощности cos((p), определяющему КПД преобразователя. Кроме того, в названной схеме нет возможности ввести обратные связи для дополнительной коррекции напряжения.
В заявке РФ № 99121868, МПК: Н02Р21/00, от 19.10.1999г. (РСТ) , заявитель фирма Хитачи, ЛТД, Япония, приоритет Японии от 19.03.1997г., предложены устройство и способ управления асинхронным электродвигателем, в котором постоянный ток преобразуется в переменный с регулированием частоты при регулируемом напряжении в режиме широтно-импульсной модуг яи; и (ШИМ) . Устройство содержит инвертор, схему регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения глубины модуляции, схему измерения тока якоря в соответствии с током в первичной обмотке двигателя, схему коррекции величины тока якоря, схему коррекции выходной частоты инвертора в соответствии с скорректированной величиной тока якоря и схему ограничения глубины модуляции.
Особенностью данной схемы является ее повьпленная сложность и наличие целого ряда специализированных программируемых интегральных компонентов, Это ведет к высокой стоимости устройства и его низкой ремонтопригодности, что вызывает понятные проблемы у потенциальных отечественных потребителей. Кроме того, для всех преобразователей, построенных на использовании высокой частоты ШИМ, характерны высокие потери, а значит, низкий КПД. Для достижения высокого КПД в таких устройствах приходится использовать схемные решения с большим - двух- или трехкратным запасом по току.
Известны и другие разработки аналогичных по назначению устройств. Например:
-«Частотно-регулируемый электропривод по патенту РФ № 2014722 от 14.12.1988г., МПК Н02Р7/42;
-«Устройство для регулирования частоты враш,ения асинхронного электродвигателя по патенту РФ №2085и19 от 30.01.1997Т., МПК Н02Р7/42;
-«Векторная система регулирования выходного  трехфазных преобразователей по патенту РФ № 2157043 от 22.06.1999г., МПК Н02Р21/00.
Наиболее близким к заявляемому устройству по составу функциональных узлов и способу регулирования напряжения является преобразователь, описанный в книге «Транзисторные преобразователи напряжения и частоты, с. 131, рис.85 (автор О.И.Хасаев, Изд-во «Наука,
Москва, 1966 г. - П5 с. Вьщержки из книги прУ1лагакутся) . Данный преобразователь с амплитудным регулированием выходного напряжения содержит соединенные последовательно источник питания И, усилитель постоянного тока У с модулятором ШИМ, фильтр Ф и выходной каскад П (собственно преобразователь) с задающим генератором ЗГ, питающий нагрузку Н.
Аппаратная реализация данной схемы, описанная в книге, соответствует уровню развития элементной базы тех лет: дискретные электрорадиоэлементы, большое число моточных изделий и, как следствие, больщие габаритные размеры и масса, превьшающие габариты регулируемого двигателя, и низкая технологичность. Кроме того, данное устройство не обеспечивает высокой надежности из-за отсутствия управления токами усилителя У и преобразователя П, и оно не может быть использовано для управления двигателями при постоянном моменте, что в настоящее время наиболее актуально.
Задачей предлагаемого рещения является повышение надежности и коэффициента полезного действия устройства управления электродвигателем с ампяитуднътм регулированием выходного напряжения за счет введения дополнительных блоков и связей.
Для решения поставленной задачи в устройство управления асинхронным электродвигателем, содержащее соединенные последовательно входной выпрямитель, вход которого подключен к внешнему источнику питания, усилитель-регулятор напряжения питания с блоком ШИМ, LCфильтр и выходной трехфазный усилитель мощности (инвертор) с задающим генератором, формирующим трехфазный 12-тактный сигнал/. поступающий после инвертора на нагрузку - асинхронный двигатель, дополнительно введены генератор, управляемый напряжением, и два резистивных шунта тока, в совокупности обеспечивающие обратные связи по току и напряжению. При этом генератор, управляемый напряжением (ГУН) , подключен ко входу задающего генератора, первый резистивный шунт тока включен между конденсатором LC-фильтра и землей и одновременно подключен к первому входу по току блока ШИМ, второй резистивный шунт тока включен между минусовой шиной питания инвертора и землей и одновременно также соединен с первым входом по току блока ШИМ, ко второму входу которого подключен источник постоянного опорного напряжения. Вход плюса питания инвертора подключен к первому входу по напряжению блока ШИМ, а вход генератора, управляемого напряжением, соединен со вторым входом по напряжению блока ШИМ и одновременно с внешним источником напряжения управления.
Регулирование напряжения управления, поступающего от внешнего источника на вход ГУН, может осуществляться как вручную, так и автоматически.
Введение дополнительных блоков и связей в устройство управления асинхронными двигателями позволяет:
1.Использовать фиксированную глубину модуляции трехфазного 12-тактного сигнала задающего генератора и, соответственно, выходного сигнала инвертора.
управляющего частотой вращения нагрузки - асинхронного двигателя. При этом подавляются гармоники, кратные трем входного и выходного сигналов.
2.Производить регулирование амплитуды выходного сигнала устройства за счет изменения напряжения питания инвертора.
3.Изменять напряжение питания инвертора и, соответственно, амплитуду выходного сигнала всего устройства одновременно с частотой за счет использования входного сигнала генератора, управляемого напряжением, в качестве напряжения, задающего величину напряжения питания. Это позволяет реализовать закон управления двигателем при постоянном моменте.
4.Использовать в усилителе-регуляторе напряжения сразу 4 сигнала для управления напряжением питания: сигнал собственного тока и сигнал тока инвертора и два сигнала напряжения - входной сигнал генератора, управляемого напряжением, и сигнал напряжения питания инвертора.
Перечисленные решения приводят к важным полож-рттельным эффектам, учитывающимся при анализе работы устройств подобного назначения. Во-первых, введение генератора, управляемого напряжением, позволяет лояучить простое схемное решение для регулирования частоты вращения асинхронных двигателей при постоянном моменте, когда постоянным является отношение напряжения к частоте.
ных блоков устройства обеспечивает ограниче ле токов, безопасную работу регулирующего каскада и пропорц; ональное изменение напряжения питания при изменении частоты выходного сигнала.
В третьих, использование 12-тактной коммутации с фиксированной глубиной модуляции и низкочастотной Ш1/1М в усилителе-регуляторе напряжения позволяют повысить КПД устройства до уровня ., что по сравнению с высокочастотными ШИМ-преобразователями на 3-4/. больше, и использовать силовые транзисторы на номинальном токе, без запаса, что, в свою очередь, повышает надежность устройства в целом и способствует решению поставленной задачи.
И наконец, реализация предложенного решения возможна на основе интегральных микросхем широкого применения и нескольких дискретных электрорадиоэлементах, выпускаемых отечественной промышленностью. Например, задающий генератор, формирующий трехфазный 12-тактный сигнал, реализован на микросхеме ГТЗУ, блок ШИМ - на одной микросхеме из двух компараторов, ГУН также на одной микросхеме. Это позволяет резко снизить габаритные размеры, массу и стоимость устройства по сравнению со многими отечественными и зарубежны и аналогами.
Предлагаемое устройство управления асинхронным электродвигателем показано на фиг.1.
Устройство представляет собой электронный блок, в котором производится преобразование промьщ1ленного напряжения частотой 50 Гц 220В (или Зф, 50 Гц 380В) в
трехфазное напряжение с 12-тактной коммутацией с задаваемыми уровнями напряжения, частоты и тока ограничения, которое предназначено для управления частотой вращения асинхронных электродвигателей. Для реализации указанной функции устройство содержит соединенные последовательно входной выпрямитель 1, на вход которого поступает напряжение питания U1, усилительрегулятор напряжения питания 2, работающий в режиме ШИМ и состоящ,ий из силового транзистора Q1, источника 2.1 опорного напряжения Uon и двух компараторов 2.2 и 2.3, LC-фильтр, состоящий из дросселя L1 и конденсатора С1, и трехфазный импульсный усилитель мощности 5 (или инвертор 5) с генератором 3, управляемым напряжением U2 от внешнего источника регулируемого напряжения, и последовательно соединенным с 3 задающим генератором 4, формирующим трехфазный 12-тактный сигнал с фиксированной глубиной модуляции, поступающий на входы инвертора 5. Выходы инвертора 5 подключены к нагрузке - обмоткам асинхронного электродвигателя.
Кроме перечисленных блоков, устройство содержит два резистивных шунта тока RS1 и RS2, которые введены для образования обратных связей по току между инвертором 5 и усилителем-регулятором напряжения 2. Для этого щунт RS1 включен между минусом конденсатора С1 LC-фильтра и землей, а общая точка RS1 и С1 выведена на первый вход по току компаратора 2.2, щунт RS2 включен между минусовой щиной питания инвертора 5 и землей, а общая точка «минус питания инвертора - RS2 подключена к тому же первому входу по току компаратора 2.2. На второй вход компаратора 2.2 подается опор - /CC s9
ное напряжение Uon с выхода 2.1 - источника этого напряжения . Обратная связь по напряжению образуется лутем соединения выхода LC-фильтра и, соответственно, плюсовой шины питания инвертора 5, с первым входом по напряжению компаратора 2.3, второй вход которого соединен со входом генератора 3, на который поступает управляемое напряжение U2 от внешнего источника. Выходы обоих компараторов 2.2 и 2.3 соединены с базой силового транзистора Q1.
Схема работает следующим образом.
На вход выпрямителя 1 поступает напряжение питания U1 от сети 220В или 380В. Выпрямленное напряжение подается на коллектор силового транзистора Q1 усилителя-регулятора напряжения 2, который управляет напряжением питания выходного усилителя мощности 5, или инвертора. Силовой транзистор Q1 вместе с LC-фильтром работают в автоколебательном режиме как импульсный понижаюш,ий конвертор. Сглаженное LC-фильтром импульсное напряжение подается в качестве напряжения питания на инвертор 5.
Напряжение управления частотой U2 от внешнеро источника подается на вход генератора 3, выходной сигнал которого поступает на задающий генератор 4. Блок 4 вырабатывает трехфазный импульсный сигнал, который имеет форму фиксированной 12-тактной коммутации с коэффициентом заполнения 5/12, обеспечивающим минимум гармоник, кратных трем. С выхода задающего генератора 4 трехфазный сигнал поступает на инвертор 5, управляющий асинхронным электродвигателем.
Шунт RS1 служит для измерения TOYia конденсатора С1 LC-фильтра, а шунт RS2 измеряет суьа- арный ток инвертора 5. Компаратор 2.2 сравнивает сигналы шунтов RS1 и RS2 с опорным напряжением Uon, поступающего с блока 2.1, и вырабатывает сигнал управления по току, который поступает на базу силового транзистора Q1. Таким образом обеспечивается регулирование напряжения питания инвертора 5 так, чтобы его выходной ток (и соответственно ток двигателя) ограничивался на заданном уровне. Одновременно ограничивается ток силового транзистора Q1, обеспечивая безопасный режим его работы.
Компаратор 2.3 сравнивает напряжение питания инвертора 5 с внешним напряжением управления U2 генератора 3, который выполняет функцию преобразователя «напряжение-частота и вырабатывает сигнал управления по напряжению. Выходной сигнал компаратора 2.3 также поступает на базу силового транзистора Q1. В результате напряжение питания инвертора 5 и, соответственно, амплитуда его выходного напряжения меняются одновременно с частотой, что обеспечивает регулирование частоты вращения электродвигателя при постоянном моменте, т.е. поддерживается характеристика U/f cor:ist.
Предлагаемые изменения, дополнения и усовершенствования схемотехнической реализации устройства управления асинхронным электродвигателем с амплитудным регулированием выходного напряжения способствуют решению поставленной задачи повьшения надежности и КПД и позволят не только разработать конструкцию проЛ А
/б
11
стого, компактного и недорогого устройства, но и уъВличить аосортимент товаров данного профиля и расширить круг потребителей, заинтересованных в подобных изделиях.
2е /
Г-с 12