УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ ШКАФНОГО ИСПОЛНЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может использоваться для управления и регулирования скорости асинхронных короткозамкнутых электродвигателей производственных установок различного технологического назначения с возможностью эксплуатации и ремонта в сложных, например, полевых условиях (краны на гусеничном ходу, козловые краны, мостовые краны вне помещений и т.п.).
В настоящее время основными устройствами для регулирования скорости асинхронных электродвигателей являются преобразователи частоты. Десятки ведущих электротехнических фирм мира выпускают такие устройства на мощности от десятков ватт до десятков мегаватт. Инструкции по их эксплуатации зачастую по объему превышают сотню страниц и рассчитаны на все случаи жизни. Компоновка таких устройств моноблочная. Компоновка чрезвычайно плотная и ремонт таких устройств возможен фактически лишь на специализированных предприятиях.
Известны устройства частотного регулирования скорости асинхронных электродвигателей менее распространенной шкафной компоновки, например, преобразователь частоты SINAMICS V50 фирмы Siemens (http://www.sinetic.ru/files/catalog/siemens/electroprivod/V50_catalog_RU_2008.pdf, дата обращения 16.09.2015 г.), который принимается за прототип. Это устройство состоит из элементов соединения с сетью (автоматический выключатель, предохранители, контактор, входной дроссель), преобразователя частоты (выпрямитель, фильтрующие конденсаторы и инвертор), процессорного устройства для реализации опций адаптации к предъявляемым требованиям и клемм для связи с питающей сетью, с двигателем и внешними устройствами управления электродвигателем. Комплектующие функциональные узлы представлены самостоятельными силовыми компонентами и модулями. Все модули являются легкодоступными, что делает преобразователь удобным для обслуживания. Силовые компоненты и единичные модули легко и быстро заменяются.
Недостатками данного устройства являются: широкий диапазон опций, например, таких как скорость электродвигателя может быть задана как с использованием внутренних средств, так и извне, в первом случае при помощи фиксированных уставок скорости или потенциометром, либо при помощи толчкового позиционирования, извне скорость может быть задана через интерфейс связи или аналоговым сигналом на клеммной колодке, отдельно регулируемые значения времени разгона и времени торможения, адаптация к конкретному характеру статического момента нагрузки и т.п., реализованных на электронной базе, ограничивающей температурный диапазон работы устройства, который составляет 0°C - +40°C, и затрудняющих эксплуатационному персоналу работу в аварийных и ремонтных работах особенно в полевых условиях.
Практика показывает, что создание преобразователей частоты для работы в условиях пониженных температур встречает ряд трудностей, и они выпускаются в основном для работы при температуре окружающей среды в диапазоне от (-10 … - 15°C) до +40°C.
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на управление устройством одновременно несколькими электродвигателями, облегчение эксплуатационного и ремонтного обслуживания устройства, обеспечение работоспособности устройства при температуре окружающей среды - 40°C - +45°C.
Технический результат достигается за счет того, что заявляемое устройство частотного регулирования скорости асинхронных электродвигателей с преобразователем частоты шкафного исполнения, содержит автоматический выключатель, магнитный пускатель, преобразователь частоты шкафного исполнения, содержащий блок выпрямителей, блок зарядно-разрядный, блок управления напряжением, блок конденсаторов и три инвертора с платами управления инверторами, и подключенные к преобразователю частоты три или четыре электродвигателя с тормозами электродвигателей, три аппарата ручного управления скоростью вращения электродвигателей и тормозной резистор рассеивания энергии режима рекуперативного торможения. На вход блока управления напряжением преобразователя частоты подключены выходы автоматического выключателя, кнопки «Пуск» и «Стоп», а выходы соединены с магнитным пускателем, тремя платами управления инверторов, с четырьмя элементами блока зарядно-разрядного, первый элемент - реле с одним замыкающим и одним размыкающим контактом, замыкающий контакт соединен с зарядным резистором, а размыкающий контакт с разрядным резистором, второй и третий элементы - тиристоры, один из них подключен к цепям заряда, а второй к цепям разряда блока конденсаторов и, наконец, четвертый элемент - полевой транзистор, подключенный к тормозному резистору.
Технический результат достигается тем, что преобразователь частоты устройства имеет общий выпрямитель на три инвертора напряжения, каждый из которых управляет своим (своими) короткозамкнутыми электродвигателями, поэтому исключена какая-либо адаптация к конкретным условиям (подключай электродвигатели с мощностью, не превышающей указанной в паспорте устройства, и не перегружай их выше разрешенных в паспорте значений) и, наконец, все комплектующие элементы преобразователя без исключений выбраны на гарантированную работу при температуре окружающей среды в диапазоне - 40°C - +45°C.
Сущность полезной модели поясняется чертежом на фиг., где представлена функциональная схема заявляемого устройства, позициями обозначены следующие элементы: 1 - троллейный токосъем, 2 - автоматический выключатель, 3 - магнитный пускатель, 4 - шкаф частотного преобразователя, 5 - блок выпрямителя, 6 - блок управления напряжением, 7 - блок зарядно-разрядный, 8 - катушка реле, 9 - замыкающий контакт реле, 10 - размыкающий контакт реле, 11 - зарядный резистор, 12 - разрядный резистор, 13 - тиристор заряда, 14 - тиристор разряда, 15 - полевой транзистор, 16 - блок конденсаторов, 17, 18, 19 - инверторы, 20, 21, 22 - платы управления инверторами, 23, 25, 27, 29 - электродвигатели, 24, 26, 28, 30 - тормоза электродвигателей, 31, 32, 33 - аппараты ручного управления скоростью электродвигателей, 34 - тормозной резистор.
Приведенная на фиг. схема ориентирована на использование заявляемого устройства, например, для управления мостовым краном с четырьмя короткозамкнутыми асинхронными двигателями.
Устройство содержит элементы соединения с сетью - автоматический выключатель питания 2 и магнитный пускатель 3, которые располагаются вне шкафа преобразователя частоты 4. В шкафу 4 установлены силовые компоненты и модули преобразователя частоты: блок выпрямителя 5, блок зарядно-разрядный 7, блок конденсаторов 16, блок управления напряжением 6, три инвертора 17, 18, 19 с платами управления инверторами 20, 21, 22 соответственно и клеммы (на фиг. не обозначены) для связи шкафа преобразователя с сетью питания, с электродвигателями 23, 25, 27, 29 и их тормозами 24, 26, 28, 30 соответственно, аппаратами ручного управления 31, 32 и 33 скоростью соответствующих электродвигателей, внешнего разрядного сопротивления 34 при работе устройства в режиме рекуперативного торможения, например, при спуске груза подъемным механизмом крана. Силовые компоненты и единичные модули, расположенные в шкафу 4, выполнены съемными и, при необходимости, легко и быстро заменяемыми.
Питание устройства осуществляется от трехфазной сети 380 B 50 Гц кабелем или, в общем случае, как показано на фиг., через троллейный токосъем 1 включением автоматического выключателя питания 2. При включении этого автоматического выключателя напряжение сети подается на блок управления напряжением 6 (далее по тексту блок 6) преобразователя частоты. На блок 6 кроме основного назначения управления выпрямленным напряжением для питания инверторов 17, 18, 19 преобразователя частоты возлагается функция контроля целостности фаз питания. При нажатии кнопки «Пуск» указанный блок 6 обеспечивает включение магнитного пускателя 3 и его самоблокировку лишь при отсутствии обрыва фаз питающей сети. Отключение устройства осуществляется нажатием кнопки «Стоп». При питании устройства через троллейный токосъем 1 блок 6 преобразователя частоты контролирует длительность отключения фаз (искрение на троллеях) и, если длительность разрыва фаз превышает длительность, заданную при настройке устройства, магнитный пускатель 3 выключается и остается в выключенном состоянии до очередного нажатия кнопки «Пуск».
При включении магнитного пускателя 3 блок выпрямителя 5 преобразователя частоты получает питание и обеспечивает питание силовых элементов преобразователя частоты. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обеспечивается блоком конденсаторов 16 (далее по тексту блок 16). Особенностью используемых в блоке 16 высоковольтных электролитических конденсаторов, предназначенных для работы при температуре окружающей среды от - 40°C до +85°C, является требование выполнения их заряда/разряда сравнительно малыми токами. Эта задача возлагается на блок зарядно-разрядный 7 (далее по тексту блок 7), где резисторы 11 и 12 ограничивают зарядный и разрядный токи соответственно при включении и отключении устройства.
При включении устройства по сигналу блока 6 в блоке 7 получает питание катушка реле 8, которое своим замыкающим контактом 9 включает резистор 11, ограничивающий ток заряда силовых конденсаторов блока 16. При достижении напряжением на указанных конденсаторах значения рабочего уровня блок 6 включает тиристор 13 блока 7, шунтирующий зарядный резистор 11.
При отключении устройства блок 6 отключает магнитный пускатель 3, отключает реле 8 и снимает сигнал с управляющего электрода тиристора 13, а на тиристор 14 подает управляющий сигнал, открывая его. Образуется цепь: открывшийся тиристор 14, разрядное сопротивление 12 и замкнувшийся размыкающий контакт 10 реле 8. По этой создавшейся цепи происходит разряд конденсаторов блока 16.
При работе устройства в режиме рекуперативного торможения напряжение на конденсаторах блока 16 повышается. Если это напряжение превышает допустимое значение, устанавливаемое при настройке устройства, блок 6 включает полевой транзистор 15, через который к цепи выпрямленного напряжения подключается внешнее разрядное сопротивление 34, в котором рассеивается энергия рекуперации.
Напряжение конденсаторов одновременно поступает на три инвертора 17, 18 и 19, каждый из которых реализован на IGBT-транзисторных модулях. Инверторы 17 и 18 управляют своими асинхронными электродвигателями с короткозамкнутыми роторами соответственно 23 и 25 с тормозами соответственно 24 и 26. При управлении заявляемым устройством, например, мостовым краном указанные электродвигатели могут быть двигателями соответственно механизма подъема и механизма перемещения тележки крана. Направление и скорость вращения электродвигателей задаются внешними аппаратами ручного управления скоростью, например, джойстиками, командоконтроллерами или иными аппаратами управления 31 и 32 через платы управления инверторами соответственно 20 и 21. Платы управления инверторами 20 и 21 работают совместно с блоком 7 через блок 6. Третий инвертор 19, управляемый через плату управления инвертором 22 аппаратом ручного управления скоростью 33, питает два параллельно работающих электродвигателя 27 и 29, с тормозами соответственно 28 и 30, например, для перемещения моста мостового крана.
Полезной моделью решаются следующие задачи:
- управление тремя (четырьмя) реверсивными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором при использовании общего для всех инверторов напряжения силовых конденсаторов;
- оптимизация опций адаптации устройства к конкретным электроприводам, сокращающая объем технической документации по устройству и упрощающая изучение устройства и его ремонт, особенно в полевых условиях;
- расширение температурного диапазона работоспособности устройства до - 40°C - +45°C за счет использования в нем всех комплектующих элементов на гарантированную работу при данной температуре окружающей среды;
- создание силовых компонентов и модулей для шкафной компоновки преобразователя частоты легкодоступными для обслуживания, легко и быстро заменяемыми.