УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ КРАТКОВРЕМЕННОГО ОБРЫВА ФАЗЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПРИ СОХРАНЕНИИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И УПРАВЛЯЕМОСТИ ПРИВОДА НА ВРЕМЯ ОБРЫВА
DEVICE FOR DETECTING SHORT-TERM BREAKDOWN OF PHASE OF ELECTRIC POWER FREQUENCY TRANSFORMER WHILE PRESERVING OPERABILITY AND CONTROLLING OF DRIVE AT TIME OF BREAK

Изобретение относится к электротехнике и используется в схемах управления частотно регулируемыми крановыми электроприводами при их питании через троллейный токосъем.
По сравнению с традиционными электроприводами кранов, выполненных по релейно-контакторной схеме на асинхронных двигателях с фазным ротором, работа цепей защиты электроприводов с преобразователями частоты происходит по несколько иному алгоритму. При обрыве фазы на троллейном токосъеме схема электропривода позволяет на время обрыва продолжить рабочую операцию, так как асинхронный двигатель (благодаря наличию выпрямителя на входе силовых цепей преобразователя частоты) продолжает работать в симметричном трехфазном режиме, обеспечивая ограниченную грузоподъемность кранового электропривода. Но для этого необходимо обнаружить возникший обрыв и осуществить необходимые переключения для сохранения работоспособности и управляемости электропривода, а при исчезновении обрыва привести схему управления к исходному состоянию.
Известно устройство контроля обрыва фазы в трехфазной сети, реагирующее на отсутствие напряжения фазы питания, в частности осуществляющее автоматическое отключение нагрузки (патент РФ №2368050 «Способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети и устройство для его осуществления», МПК H02H 3/24, опубл. 20.09.2009), которое принимается за прототип.
В устройстве прототипа для контроля обрыва фазы к трем фазам контролируемого трехфазного напряжения питания нагрузки подключаются реализованный на резисторах искусственный нуль схемы с нейтральной точкой. Пониженное резисторами искусственного нуля относительно нейтральной точки напряжение каждой фазы искусственного нуля через операционные усилители подается на аналого-цифровые преобразователи, выходы которых связаны с процессором. Для питания операционных усилителей, аналого-цифровых преобразователей и процессора напряжением Uпит к трем фазам контролируемого трехфазного напряжения через конденсаторы и резисторы подключается трехфазный мостовой выпрямитель, выпрямленное напряжение которого сглаживается конденсатором. К напряжению Uпит подключен дополнительный операционный усилитель для формирования фиксированного заданного напряжения относительно нейтральной точки искусственного нуля, подаваемого на упомянутые аналого-цифровые преобразователи. Процессор измеряет по переходам через заданный уровень период снимаемых с операционных усилителей напряжений, и по их асимметрии определяется обрыв фазы.
Недостатками данного устройства являются отсутствие информации о том, какая конкретно фаза вышла из строя, ориентация на отключение нагрузки при обрыве фазы и маломощность источника питания, не позволяющая, в рассматриваемом случае, поддерживать питание системы управления преобразователем частоты на время выполнения переключений, требуемых для сохранения работоспособности преобразователя частоты на время обрыва фазы.
Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение работы и управляемости кранового электропривода при кратковременных обрывах фазы на троллейном токосъеме питания частотно регулируемого электропривода, за счет чего исключаются резкие рывки и динамические перегрузки в несущих конструкциях крана.
Предлагаемое устройство, как и устройство прототипа, использует искусственный нуль с нейтральной точкой, непрерывный контроль наличия напряжения каждой фазы питания нагрузки, формирование напряжения Uпит из напряжений трех фаз напряжения питания нагрузки и использование микропроцессора.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве к троллейному токосъему подключается преобразователь частоты в составе выпрямителя, блока конденсаторов и блока инверторов, а также реализованный на трех резисторах искусственный нуль схемы с нейтральной точкой, напряжения каждой фазы относительно нейтральной точки через стабилитроны и токоограничивающие резисторы подключены к соответствующим трем выпрямительным диодным мостам, которые подключены к соответствующим трем оптотранзисторам, коллекторы которых через соответствующие токоограничивающие резисторы подключены к плюсу напряжения питания Uпит микропроцессора и цепей управления преобразователя частоты и к соответствующим входам микропроцессора, отсутствие напряжения на которых соответствует отсутствию обрыва, а наличие напряжения - обрыву соответствующей фазы, выходы микропроцессора подключены к выпрямителю и блоку инверторов преобразователя частоты, а также к двум основным оптосимисторам соответственно фаз А и В и двум вспомогательным оптосимисторам соответственно фаз А и В, подключенным к первичной обмотке основного трансформатора, напряжение вторичной обмотки которого подключено через выпрямительный диодный мост, и блок фильтрации и стабилизации создает напряжение Uпит для питания микропроцессора и цепей управления преобразователя частоты, первичная обмотка основного трансформатора при отсутствии обрывов фаз в троллейном токосъеме подключена основными оптосимисторами соответственно к фазам А и В троллейного токосъема, при обрыве фазы А - отключен основной оптосимистор фазы А, включен ее вспомогательный оптосимистор, подключенный к фазе С, при обрыве фазы В - отключен основной оптосимистор фазы В, включен ее вспомогательный оптосимистор, подключенный к фазе С, т.е. при обрыве фазы А первичная обмотка основного трансформатора подключена к фазам В и С, а при обрыве фазы В - к фазам А и С троллейного токосъема, а для питания микропроцессора при включении электропривода предусмотрен вспомогательный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фазе С и нейтральной точке искусственного нуля.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежом, где представлена функциональная схема заявляемого изобретения.
Позициями обозначены следующие элементы: 1, 2, 3 - троллейные токосъемы соответственно фаз питания Фазы А, Фазы В и Фазы С, 4, 5, 6 - резисторы искусственного нуля, 7, 8, 9 - стабилитроны, 10, 11, 12 - токоограничивающие резисторы, 13, 14, 15 - выпрямительные диодные мосты, 16, 17, 18 - оптотранзисторы, 19, 20, 21 - токоограничивающие резисторы, 22 - микропроцессор управления преобразователем частоты, 23 - основной оптосимистор фазы А, 24 - основной оптосимистор фазы В, 25 - вспомогательный оптосимистор фазы А, 26 - вспомогательный оптосимистор фазы В, 27, 28 - токоограничивающие резисторы вспомогательных оптосимисторов, 29 - основной (мощный) трансформатор питания микропроцессора и схемы управления преобразователем частоты, 30 - вспомогательный трансформатор питания, 31, 32 - выпрямительные диодные мосты, 33, 34, 36 - токоограничивающие резисторы, 35 - блок фильтрации и стабилизации напряжения питания Uпит микропроцессора и цепей управления преобразователя частоты, 37 - светодиод индикации наличия напряжения Uпит, 38, 39 и 40 - соответственно выпрямитель, блок конденсаторов и блок инверторов преобразователя частоты.
Приведенная на чертеже схема ориентирована на использование заявляемого устройства, например, для управления электроприводом мостового крана с преобразователем частоты. Питание привода обеспечивается через троллейные токосъемы 1, 2 и 3 трехфазным напряжением с фазами А, В и С. На резисторах 4, 5 и 6 реализуется искусственный нуль схемы. Напряжение каждой фазы относительно нейтральной точки искусственного нуля соответственно через стабилитроны 7, 8 и 9, токоограничивающие резисторы 10, 11 и 12 подается на соответствующие выпрямительные диодные мосты 13, 14 и 15, выпрямленные соответствующие напряжения которых подаются соответственно на управление оптотранзисторами 16, 17 и 18.
Коллекторы оптотранзисторов фаз питания А, В и С через соответствующие токоограничивающие резисторы 19, 20 и 21 подключены к плюсу, а эмиттеры - к минусу (общей точке) напряжения питания Uпит микропроцессора и цепей управления преобразователя частоты. С коллекторов оптотранзисторов снимаются сигналы «а», «b» и «с», являющиеся признаками обрыва соответствующей фазы питания. Эти сигналы подключаются к микропроцессору 22 системы управления преобразователем частоты.
При отсутствии обрыва фаз А, В и С соответствующие оптотранзисторы включены, и при этом их коллекторы соответственно через токоограничивающие резисторы 19, 20 и 21 соединяются с общей точкой напряжения питания Uпит, поэтому сигналы «а», «b» и «с» имеют уровень логического нуля. При обрыве, например, фазы А соответствующий оптотранзистор 16 выключается, и его коллектор через резистор 19 получает положительный потенциал напряжения Uпит, а сигнал «а» - уровень логической единицы. Аналогично при обрыве фаз В и С соответствующие сигналы «b» и «с» принимают значения логической единицы.
Фаза С является приоритетной. При обрыве фазы С и исправных фазах А и В никаких переключений в схеме питания первичной обмотки трансформатора 29 не происходит. Если же при обрыве фазы С произойдет обрыв фаз А или В, то преобразователь частоты отключается от питающей сети. Тогда для повторного включения электропривода необходимо ликвидировать обрывы фаз и включить питание электропривода.
Основной трансформатор 29 с выпрямителем 31 и блоком 35 фильтрации и стабилизации выпрямленного напряжения Uпит необходим для создания напряжения питания микропроцессора и цепей управления преобразователя частоты при работе привода и для бесперебойного питания микропроцессора при обрыве фаз А или В. Цепь светодиода 37 с резистором 36 выполняет функции индикации наличия напряжения Uпит. Маломощный вспомогательный трансформатор 30, подключенный к напряжению фаза С - нейтральная точка искусственного нуля, вторичное напряжение которого выпрямляется диодным мостом 32 и подключается параллельно выпрямленному напряжению трансформатора 29, служит для создания Uпит при включении привода в работу и поддержания Uпит при переключении первичной обмотки основного трансформатора 29.
В схеме кранового электропривода с преобразователем частоты предусмотрена возможность включения его в работу только при наличии напряжения на всех трех фазах питания А, В и С. В данном случае оптотранзисторы 16, 17, 18 включены. Сигналы «а», «b» и «с», поступающие на входы микропроцессора, имеют значения логического нуля, т.е. цифровая комбинация 000. Этой комбинации входных сигналов соответствует цифровая комбинация 1100 выходных сигналов «d», «е», «f» и «g». Происходит включение основных оптосимисторов 23 и 24 фаз А и В. Напряжение фазы А через основной оптосимистор 23 подключается к выводу Н начала первичной обмотки трансформатора 29, а к выводу К конца обмотки через основной оптосимистор 24 подключается фаза В. Выходное напряжение трансформатора выпрямляется и совместно с напряжением выпрямителя 32 фильтруется, стабилизируется и идет на питание микропроцессора 22 и цепей управления преобразователем частоты.
При обрыве фазы А на входе микропроцессора возникает комбинация сигналов 100, при которой микропроцессор вначале выдает выходную комбинацию сигналов 0100, отключая основной оптосимистор 23, а затем через 10 мс выдает комбинацию 0110, подключая начало обмотки трансформатора через вспомогательный оптосимистор 25 к фазе С. Фаза В как была подключена к выводу К трансформатора, так и остается подключенной.
При восстановлении фазы А на входы микропроцессора возвращается комбинация входных сигналов 000, при которой микропроцессор вначале выдает комбинацию выходных сигналов 0100, отключая оптосимистор 25, а затем через 10 мс выдает комбинацию 1100, включая оптосимистор 23 и возвращая подключение начала обмотки трансформатора к фазе А.
При обрыве фазы В на входе микропроцессора возникает комбинация сигналов 010, при которой микропроцессор вначале выдает выходную комбинацию сигналов 1000, отключая основной оптосимистор 24, а затем через 10 мс выдает комбинацию 1001, подключая через вспомогательный оптосимистор 26 конец обмотки трансформатора к фазе С. Фаза А как была подключена к выводу Н трансформатора, так и остается подключенной.
При восстановлении фазы В на входы микропроцессора возвращается комбинация входных сигналов 000, при которой микропроцессор вначале выдает комбинацию выходных сигналов 1000, отключая оптосимистор 26, а затем через 10 мс выдает комбинацию 1100, включая оптосимистор 24, возвращая подключение конца обмотки трансформатора к фазе В.
Микропроцессор 22 системы управления преобразователем частоты при обрыве двух фаз немедленно отключает преобразователь частоты. При обрыве одной фазы микропроцессорный блок контролирует длительность обрыва и уровень напряжения на блоке конденсаторов и на холостом ходу или малой нагрузке преобразователь частоты может работать неопределенно долго. При номинальных же нагрузках выпрямитель преобразователя частоты работает с перегрузкой, и потому микропроцессор при достижении заданных уставок длительности обрыва или уровня напряжения на блоке конденсаторов отключает преобразователь частоты.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает микропроцессорную систему управления преобразователя частоты информацией о наличии обрыва каждой фазы, бесперебойное питание микропроцессорной системы при обрыве любой фазы питания и сохранение работоспособности и управляемости привода во время обрыва фазы.
Испытания заявляемого устройства подтвердили работоспособность и управляемость кранового частотно регулируемого электропривода при кратковременных обрывах любой фазы питания на троллейном токосъемнике.