Способ подхвата преобразователя частоты
FREQUENCY CONVERTER CONTROL METHOD

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться в электроприводах с преобразователями частоты.
Известно устройство (патент RU №2326488), реализующее способ подхвата преобразователя частоты, питающего асинхронный электродвигатель, в котором при отключении или глубоком снижении напряжения в питающей сети снимаются управляющие сигналы преобразователя и напряжение на выходе преобразователя частоты снижается до нуля, а после восстановления (повышения) напряжения в питающей сети свыше установленного уровня измеряется частота вращения ротора электродвигателя, подаются управляющие сигналы на преобразователь и производится установка напряжения на выходе преобразователя с частотой, равной частоте вращения ротора.
Недостаток реализуемого способа состоит в низкой надежности, так как для измерения частоты вращения необходимо использовать датчик частоты вращения ротора электродвигателя (тахогенератор). Обусловлен этот недостаток тем, что в известном способе не выполняется подхват при вращении ротора в обратном направлении по отношению к направлению вращения в рабочем режиме.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ (патент RU №2462808) подхвата преобразователя частоты, питающего асинхронный электродвигатель, в котором при отключении или глубоком снижении напряжения в питающей сети снимаются управляющие сигналы преобразователя и напряжение на выходе преобразователя частоты снижается до нуля, а после восстановления (повышения) напряжения в питающей сети свыше установленного уровня измеряется частота ЭДС статора электродвигателя, подаются управляющие сигналы на преобразователь частоты и производится установка напряжения на выходе преобразователя с частотой, равной частоте ЭДС статора.
Недостатком указанного технического решения является отсутствие функциональной возможности выполнять подхват преобразователя частоты при обратном вращении ротора электродвигателя. Другим недостатком известного способа является низкая надежность. Эти недостатки обусловлены тем, что в известном способе отсутствует функция определения направления вращения ротора электродвигателя.
Это снижает надежность электропривода вследствие возникновения динамических ударов в механической системе при пуске электропривода, когда возможна подача напряжения на двигатель при его вращении в обратном направлении. Примером может служить вращение ротора электродвигателя в обратном направлении, по отношению к вращению в рабочем режиме, когда на рабочее колесо (жестко сопряженное с ротором) действует вращающий момент, создаваемый рецуркулирующими или обратными потоками рабочей среды (газа или жидкости) вентиляторных или насосных установок. Так в аппаратах воздушного охлаждения газа под действием рециркулирующих потоков воздуха, создаваемых работающими вентиляторами, роторы электродвигателей резервных (отключенных от электрической сети) вентиляторов могут иметь вращение в обратном направлении, по отношению к вращению в рабочем режиме. Так же в установках электроцентробежных насосов добычи нефти из скважин под действием обратных потоков жидкости при неисправности обратного клапана ротор электродвигателя может иметь вращение в обратном направлении, по отношению к вращению в рабочем режиме. В таких условиях подача напряжения на электродвигатель приведет к возникновению динамических ударов в механической системе и к снижению надежности работы электропривода.
Целью способа является расширение функциональных возможностей и повышение надежности.
Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом способе подхвата преобразователя частоты, заключающемся в измерении частоты вращения ротора путем измерения частоты ЭДС обмотки статора, дополнительно определяется направление вращения ротора по отношению к направлению вращения в рабочем режиме путем определения последовательности чередования фаз ЭДС обмотки статора, и если вращение ротора происходит в обратном направлении, то на выходе преобразователя частоты происходит формирование системы трехфазных напряжений с частотой, соответствующей частоте вращения ротора в обратном направлении с дальнейшим плавным снижением частоты до нулевого значения и частотным пуском с нулевой частоты вращения и с такой последовательностью чередования фаз, которая соответствует вращению в рабочем режиме.
Для этого в способе подхвата преобразователя частоты, питающего асинхронный электродвигатель, в котором при отключении или глубоком снижении напряжения в питающей сети снимаются управляющие сигналы преобразователя и напряжение на выходе преобразователя частоты снижается до нуля, а после восстановления (повышения) напряжения в питающей сети свыше установленного уровня измеряется частота ЭДС статора электродвигателя, и производится установка напряжения на выходе преобразователя с частотой, равной частоте ЭДС статора, дополнительно определяется направление вращения ротора электродвигателя перед пуском по отношению к направлению вращения в рабочем режиме путем измерения не только частоты ЭДС обмотки статора, но и определение последовательности чередования фаз ЭДС обмотки статора. И если направление вращения ротора электродвигателя является обратным по отношению к направлению вращению в рабочем режиме, то подаются управляющие сигналы, формирующие на выходе преобразователя частоты систему трехфазных напряжений с частотой, соответствующей частоте обратного вращения ротора электродвигателя, с дальнейшим плавным снижением частоты до нулевого значения, а после остановки ротора электродвигателя производится частотный пуск электродвигателя с нулевой частоты вращения и такой последовательностью чередования фаз, которая соответствует вращению в рабочем режиме.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего описанный способ.
На фиг. 2 представлена иллюстрация работы устройства, реализующего предлагаемый способ, при поступлении управляющего сигнала на пуск механизма (где С означает сигнал на выходе блока, номер которого указан цифрой).
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит подключенный к шинам питающей электрической сети 1 через выключатель 2 выпрямитель 3. Полюса выпрямителя 3 соединены с датчиком напряжения 4, конденсатором 5 и инвертором напряжения 6, который выходом соединен с двигателем 7 и датчиками напряжения 8, которые установлены в трех фазах. Последние выходами связаны с блоком 9 определения частоты и дополнительно введенным блоком 10 определения последовательности чередования фаз. Первый пороговый элемент 11 выходом соединен с управляющим входом формирователя 12. Блок 13 управления инвертором 6 своими двумя входами соединен с блоком 9 определения частоты и блоком 10 определения последовательности чередования фаз, а своими шестью выходами блок 13 соединен со вторым входом переключателя 14, выход которого подключен к управляющему входу инвертора 6, на выходе которого установлены в трех фазах датчики тока 15, которые подключены выходами ко второму пороговому элементу 16. Через первый блок 17 задержки на появление сигнала выход первого порогового элемента 11 соединен с управляющими входами переключателя 14. Второй блок 18 задержки на появление сигнала включен между выходом второго порогового элемента 16 и сбрасывающим входом формирователя 12.
Способ осуществляется следующей последовательностью операций.
1
2
3
4
3
4
Напряжение с шин 1 при включенном выключателе 2 выпрямляется выпрямителем 3 и фильтруется конденсатором 5. Инвертор 6 преобразует постоянное напряжение в переменное напряжение необходимой частоты и величины, что определяется блоком 13 управления. В целом устройство служит для разгона электродвигателя как с нулевой частоты вращения, так и при наличии обратного вращения ротора электродвигателя 7 и обеспечения работы последнего с частотой, отличной от сетевой. В момент времени t поступает управляющий сигнал на пуск механизма. В момент времени t формирователь 12 подает сигналы С12 на два (или три) канала (транзисторы) в разных группах (эмиттерная и коллекторная) инвертора 6. В двух фазах двигателя нарастает ток, который в момент t превышает уставку (пунктир). Величина уставки выбирается на уровне, при котором обеспечивается достаточное намагничивание двигателя, чтобы с учетом чувствительности блока 9 определения частоты и блока 10 определения последовательности фаз обеспечить заданную точность измерения при минимально заданной частоте вращения. В момент t формирователь 12 по сигналу порогового элемента 16 отключается. Промежуток времени t-t обеспечивается блоком 18 задержки. Это время в 3-4 раза превышает постоянную времени вихревых токов стали двигателя 7. Под действием импульса тока статора и соответствующего ему магнитного поля в роторе двигателя создается импульс тока. Этот спадающий постоянный ток создает магнитное поле, которое наводит в обмотках статора ЭДС, частота которой равна частоте вращения ротора (умноженной на число пар полюсов), а последовательность чередования фаз определяет направление вращения ротора. Частота этого сигнала измеряется блоком 9, а последовательность чередования фаз блоком 10. Частота определяется путем измерения длительности первого полупериода (или периода) колебаний. Определенное таким образом значение частоты и направление вращения передается в блок 13 управления инвертором 6. Инвертору 6 задается это начальное значение частоты и направление вращения. Именно с этой частоты начинается повторный разгон электродвигателя 7, если направление его вращения совпадает с направлением вращения в рабочем режиме (если электродвигатель вращается на выбеге). Рабочее колесо перед пуском электродвигателя может иметь направление вращения, обратное по отношению к направлению вращения в рабочем режиме. Это возможно, когда на рабочее колесо действует вращающий момент, создаваемый рецуркулирующими или обратными потоками рабочей среды (газа или жидкости) насосных или вентиляторных установок. Если при обратном вращении подать напряжение, то происходит пуск двигателя в режиме противовключения, при котором происходят броски тока и динамические удары в механической системе. Поэтому перед пуском вентиляторной или насосной установки, в которой возможно образование рециркулирующих или обратных потоков рабочей среды, необходимо определить скорость и направление вращения рабочего колеса. Направление вращения определяется путем определения последовательности чередования фаз блоком 10. В этом случае частотный пуск будет осуществлен только после частотного останова. Частотный останов выполняется подхватом электродвигателя 7 инвертором 6, с дальнейшим снижением частоты напряжения на выходе инвертора до нуля с остановом двигателя.
В известном способе (патент RU №2462808) направление вращения не определяется и в реализации схемы устройства отсутствует блок 10. При этом отсутствует функция останова электродвигателя при его вращении в обратном направлении по отношению к направлению вращения в рабочем режиме. Это снижает функциональные возможности и надежность устройства вследствие динамических ударов в механической системе электропривода, возможных при подаче напряжения на двигатель при его вращении в обратном направлении.
В предлагаемом способе за счет введения функций определения направления вращения и останова двигателя при его вращении в обратном направлении по отношению к направлению вращения в рабочем режиме расширяются функциональные возможности и повышается надежность электропривода вследствие исключения пуска электродвигателя при вращении ротора (рабочего колеса механизма) в обратном направлении по отношению к направлению вращения в рабочем режиме.
Таким образом, в предлагаемом способе осуществляется не только частотный пуск при пуске с нулевой частоты вращения, но и частотный останов электродвигателя при наличии обратного вращения ротора электродвигателя, снижение частоты до нуля и последующий частотный пуск с нулевой частоты вращения электродвигателя.
Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей и повышение надежности работы электропривода.