УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам управления и защиты электроустановок, а именно - асинхронных двигателей.
Известно устройство релейной защиты асинхронного электродвигателя [Патент РФ №2179360, МПК 7 Н 02 Н 7/085, Н 02 Н 7/09, оп. 20.07.2005.], содержащее три датчика тока, коммутатор, блок преобразования тока в напряжение, микроконтроллер, блок выбора режимов работы и управления, блок управления электродвигателем, блок индикации, трансформатор напряжения, блок преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, при этом датчики тока подключены к соответствующим трем первым входам коммутатора, вход трансформатора напряжения соединен с одной фазой электрической сети, выход трансформатора напряжения - с входом блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, выход блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный соединен с четвертым входом коммутатора, выход блока преобразования тока в напряжение - с информационным входом микроконтроллера, первый выход микроконтроллера - с управляющим входом коммутатора, второй выход микроконтроллера - с входом блока управления электродвигателем, выход блока управления электродвигателем - с управляющим входом выключателя, третий выход микроконтроллера - с блоком индикации, блок выбора режимов работы и управления - с управляющим входом микроконтроллера; устройство дополнительно снабжено активным полосовым частотным фильтром и счетчиком, при этом вход фильтра подключен к первому выходу коммутатора, а выход фильтра - с входом блока преобразования тока в напряжение, вход счетчика присоединен к выходу блока преобразования синусоидального сигнала в прямоугольный, а выход счетчика - к входу внешних прерываний микроконтроллера, реализующего функции защиты электродвигателя от обрыва фазы, от перегрузки, от заклинивания ротора и токовую отсечку и обеспечивающего определение допустимого времени работы от момента появления перегрузки до остановки электродвигателя в зависимости от кратности отношения фазного и номинального токов по сигналу прерывания, поступающего с выхода счетчика, а второй выход коммутатора соединен с информационным входом микроконтроллера.
Известно устройство для управления трехфазным электродвигателем [Патент РФ №2062546, МПК 6 H 02 P 1/26, Н 02 Р 5/28, Н 02 Р 7/36, oп. 20.06.1996.], содержащее три пары встречно параллельно включенных диода и тиристора, общие точки соединения анода диода и катода тиристора каждой пары образуют выводы для подключения к фазам источника питания соответственно, общие точки соединения катода диода и анода тиристора каждой пары образуют выводы для подключения к соответствующим фазам асинхронного
электродвигателя, и три дополнительных диода, при этом введены три конденсатора, три симметричных диодных тиристора, шесть резисторов и три регулируемых резистора, управляющий электрод каждого тиристора через соответствующий из трех симметричных диодных тиристоров подключен к общей точке соединения одних выводов соответствующих из трех конденсаторов и регулируемых резисторов, другой вывод каждого из трех конденсаторов подключен к общей точке соединения анода диода и катода тиристора соответствующей пары, другой вывод первого регулируемого резистора соединен с одними выводами первого и второго резисторов, другой вывод второго регулируемого резистора соединен с одними выводами третьего и четвертого резисторов, другой вывод третьего регулируемого резистора соединен с одними выводами пятого и шестого резисторов, другой вывод первого резистора подключен к другому выводу четвертого резистора и через первый диод к общей точке соединения катода диода и анода тиристора первой пары, другой вывод третьего резистора подключен к другому выводу шестого резистора и через второй диод к общей точке соединения катода диода и анода тиристора второй пары, а другой вывод пятого резистора подключен к другому выводу второго резистора и через третий диод к общей точке соединения катода диода и анода тиристора третьей пары.
В качестве прототипа выбран контроллер диагностики и защиты электроустановок [Патент РФ №2256993, МПК 7 Н 02 Н 7/26, Н 02 Н 7/09, oп. 20.08.2004.], содержащий электронный блок, включающий блоки гальванической развязки и предварительного масштабирования входных сигналов в виде тока и напряжения, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор, генератор тактовой частоты, делитель частоты, интерфейс, исполнительное реле, кнопку "Деблокировка", индикатор, при этом электронный блок дополнительно снабжен блоком энергонезависимой памяти и энергонезависимыми часами, при этом выходы блока гальванической развязки и предварительного масштабирования соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выполненного с возможностью одновременной обработки, по меньшей мере, шести входных сигналов, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с программируемым входом микропроцессора, который производит необходимые вычисления для сравнения с заданными предельными величинами по току, напряжению, температуре и принимает решение о нормальной или аварийной ситуации контролируемой установки и к входам/выходам которого присоединены блок энергонезависимой памяти, обеспечивающий хранение и запись рабочих настроек, статистику аварий, вход/выход энергонезависимых часов, вход/выход интерфейса, выход генератора тактовой частоты, второй выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем через делитель частоты, кроме того, выход микропроцессора соединен с входом исполнительного реле и индикатора, а один из его входов соединен с кнопкой "Деблокировка", при этом пульт управления и программирования, соединенный через
интерфейс с микропроцессором электронного блока, содержит индикатор, микропроцессор, через который вводятся данные о режимах и предельных значениях контролируемых величин и выводится информация о текущих значениях тока и напряжения, генератор тактовой частоты и кнопочную панель, причем выходы последних соединены с входами микропроцессора, выход которого соединен с входом индикатора.
Задачей полезной модели являлось расширение функциональных возможностей устройства.
Указанная задача решается устройством управления асинхронным двигателем, содержащим датчики, электронный блок управления с модулем согласования, аналого-цифровым преобразователем, микропроцессором, интерфейсом, энергонезависимой памятью, индикатор, панель (например, кнопочную) для настройки параметров, источник питания, исполнительный узел, в котором, согласно предложению, модуль согласования выполнен с входами для дискретных сигналов управления («старт», «стоп», «запрет», «реверс», сигналов с датчиков крайних положений), микропроцессорное устройство дополнительно содержит порты ввода/вывода для интеграции в промышленную сеть и подключения программатора (например, персонального компьютера с сервисными программами) и связан с исполнительным узлом через выходное устройство, при этом выходное устройство содержит дополнительные выходы для дискретных сигналов управления и сигнализации.
Для увеличения эффективности запуска электродвигателя (например, асинхронного с короткозамкнутым ротором) в устройстве, в исполнительном узле возможно предусмотреть переключение режимов звезда/треугольник (двигатель сначала соединяется в режиме «звезда» и только потом переходит в режим «треугольник»).
Исполнительный узел также может быть выполнен с функцией плавного пуска двигателя (что может быть реализовано, например, аналогично техническому решению по патенту №2062546).
Для обеспечения вывода информации в виде унифицированного аналогового сигнала выходное устройство устройства управления может содержать цифро-аналоговый преобразователь.
Исполнительный узел в самом общем случае может содержать один или несколько контакторов.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом. На фиг. показана принципиальная схема устройства управления асинхронным двигателем.
Устройство управления асинхронным двигателем содержит датчики тока и напряжения 1 в каждой фазе, согласующее устройство 2 сигналов от датчиков 1 и внешних сигналов управления (соответственно с входами 3 для дискретных сигналов управления), аналого-цифровой преобразователь 4, микропроцессорное устройство 5, содержащее собственно
микропроцессор, интерфейс и энергонезависимую память (не показаны), микропроцессорное устройство 5 оснащено портом ввода/вывода 6 для использования в стандартных промышленных сетях. Микропроцессорное устройство 5 связано с исполнительным узлом 7 через выходное устройство 8, имеющее также выходы 9 для дискретных сигналов управления и сигнализации. Устройство снабжено индикатором 10 и панелью для настройки параметров (не показана) и источником питания 11, обеспечивающим работу всех частей устройства.
Устройство работает следующим образом.
Электрические сигналы от датчиков 1 напряжения и тока (можно предусмотреть канал измерения температуры защищаемого двигателя), а также дискретные входные сигналы управления по входам 3: старт/стоп, запрет, сброс и т.п., поступают на согласующее устройство 2, в котором происходит согласование аналоговых сигналов, по уровню, с входным диапазоном аналого-цифрового преобразователя 4 (АЦП) и приведение дискретных сигналов к логическим уровням. Дискретные управляющие сигналы подаются на микропроцессорное устройство 5 и выходное устройство 8.
Аналоговые сигналы преобразуются АЦП 4 в цифровые, и поступают для обработки на микропроцессорное устройство 5, с которого выходные сигналы и данные передаются на выходное устройство 8 и отображаются на индикаторе 10.
Выходное устройство 8 формирует электрические сигналы, управляющие исполнительным узлом 7 согласно полученным цифровым сигналам от микропроцессорного устройства 5, дополнительно формируются сигналы (включено/выключено, запрет пуска, авария, выходы таймеров, управление тормозом), по назначаемым выходам 9. Исполнительный узел 7 обеспечивает электрическое подключение/отключение двигателя к питающей трехфазной сети, и, если требуется, переключение схем звезда-треугольник или плавный запуск двигателя.
Микропроцессорное устройство 5 обеспечивает выполнение операций суммирования, вычитания, умножения, деления, сравнения, чтения-записи данных памяти и портов. Цифровые данные обрабатываются исполняемой программой, производиться проверка наличия напряжения питающей сети, порядок чередования фаз и другие условия для разрешения пуска двигателя, коммутаций звезда-треугольник. Вычисляются текущие электрические (и тепловые) режимы асинхронного двигателя в стационарных и переходных режимах его работы, при обнаружении недопустимых режимов выдаются команды на отключение или запрет пуска защищаемого двигателя, обнаруженные отклонения режимов заносятся в энергонезависимую память микропроцессорного устройства 5 и отображаются на индикаторе 10. Порт ввода/вывода 6 предназначен для обеспечения работы в составе стандартных промышленных сетей (As-i, СAN, Profibus, Modbus и т.д.), когда становиться возможным
управление коммутацией электрического двигателя по промышленной сети, получение информации о неисправностях и электрических режимах двигателя.
Микропроцессорное устройство 5 может быть построено на микропроцессоре фирмы "Atmel" линейка Т89С51 с интегрированными CAN и UART интерфейсами, АЦП разрядность 10-бит 8 каналов, энергонезависимая память данных (EEPROM), таймеры.
Предлагаемое устройство управления асинхронным двигателем позволяет реализовать следующие основные функции:
Обеспечение защиты асинхронного двигателя посредством отключения от питающей сети при возникновении опасных режимов для защищаемого двигателя. Электрическая защита основана на обнаружении превышения безопасных порогов и вычислении мощности опасной для нагрузки и двигателя:
подводимой мощности, напряжения и тока, cos φ при старте двигателя;
подводимой мощности, напряжения и тока, cos φ при нормальной работе двигателя.
Возможна модификация устройства, для которого доступны режимы: управление углом отсечки выходного напряжения, торможение двигателя выпрямленным напряжением (током).
Дополнительные функции:
- Блокировка при опасных для двигателя отклонениях напряжения питающей сети;
- Блокировка при недопустимом порядке чередования фаз;
- Детектор перекоса фаз и обрыва фазы;
- Счетчик числа коммутаций/счетчик ресурса (можно с весовыми коэфф.);
- Переключения между режимами звезда - треугольник (при управление несколькими блоками коммутации, разные пороги безопасности) по достижению заданных электрических режимов и/или по таймеру;
- Интервал безопасности от повторного включения;
- Ограничения времени работы двигателя при малой нагрузке;
- Отключения двигателя при превышении безопасных порогов (ударный характер нагрузки двигателя);
- Обнаружение изменений импеданса в каждой фазе;
- Информационный выход о токе двигателя;
- Управление включением/выключением двигателя по дискретным сигналам или полевой шине, по которой дополнительно можно параметризировать устройство и читать измеренные значения и состояние устройства;
- Энергонезависимая память обнаруженных неполадок;
- Дополнительный канал датчика тепловой защиты двигателя
- Детектор залипания контактов;
- Диагностика по субгармоникам проблем в нагрузке двигателя (при использовании высокопроизводительного микропроцессорного устройства);
- Дополнительный интерфейс для сопряжения с устройствами для диагностики состояния двигателя, например с персональным компьютером, с диагностической программой определения проблем в нагрузке двигателя, создания архива режимов двигателей;
- Обеспечение коммутации на одном периоде питающей сети, при переходе через «0» напряжения/тока, раздельно в каждой фазе;
- Параметризация устройства в режиме обучения.