ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к частотно регулируемым электроприводам, в частности к преобразователям частоты со звеном постоянного тока и инвертором напряжения с широтно-импульсной модуляцией и может быть использована в электроприводах ответственных механизмов тепловых объектов, например, котлоагрегатов, технологические режимы которых не допускают внеплановых остановок при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Известен преобразователь частоты, содержащий выпрямитель, звено постоянного тока, инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией, блок управления, первый вход которого соединен с датчиком технологического параметра, второй его вход подключен к выходу датчика, сигнализирующего о нарушении электроснабжения преобразователя, при этом блок управления выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью осуществлять функцию регулирования выходной частоты и напряжения преобразователя по сигналу, поступающему на первый вход, а также с возможностью осуществлять функцию «преодоления провалов напряжения» по сигналу, поступающему на второй вход (см. Компания Emotron. Преобразователь частоты. Руководство по эксплуатации, 2004 г. стр.51, п. 5.4.37 «Преодоление провалов напряжения»).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность из-за того, что при снижении выходной частоты преобразователя к вращающемуся ротору электродвигателя прикладывается тормозной электромагнитный момент, ускоряющий останов приводимого технологического механизма. Это делает электропривод и приводимый технологический механизм чувствительными к кратковременным нарушениям электроснабжения.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией, содержащий выпрямитель, выход которого через звено постоянного тока соединен с входом инвертора напряжения, при этом выход инвертора напряжения через датчик тока подключен к электродвигателю переменного тока, блок управления, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения преобразователя частоты, вход которого подключен к входу выпрямителя, причем последний соединен с системой электроснабжения, второй вход блока управления соединен с выходом датчика тока, третий вход блока управления соединен с датчиком технологического параметра, четвертый вход блока управления соединен с датчиком скорости вращения электродвигателя, который установлен на его валу, причем первый выход блока управления соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения, второй выход - соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения (см. пат. РФ №72589, Н02Р 27/08).
Недостатком известного устройства является его низкая надежность при кратковременных провалах или пропадании напряжения системы электроснабжения. Это обусловлено следующим. После кратковременного нарушения в системе электроснабжения инвертор напряжения увеличивает выходное напряжение с частотой пропорциональной сигналу с датчика скорости вращения электродвигателя. При этом скорость нарастания выходного напряжения преобразователя частоты ограничена его максимальным пусковым токам, который не превышает 1,5 номинального значения преобразователя частоты. Время восстановления скорости вращения электродвигателя может достигать 2 секунды, что для электроприводов ответственных механизмов недопустимо.
Задача, решаемая заявляемой полезной моделью, заключается в обеспечении надежной работы частотно-регулируемых электроприводов ответственных механизмов при кратковременных нарушениях электроснабжения.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе частоты с широтно-импульсной модуляцией, содержащем выпрямитель, выход которого через звено постоянного тока соединен с входом инвертора напряжения, при этом выход инвертора напряжения через датчик тока подключен к электродвигателю переменного тока, блок управления, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения преобразователя частоты, вход которого подключен к входу выпрямителя, причем последний соединен с системой электроснабжения, второй вход блока управления соединен с выходом датчика тока, третий вход блока управления соединен с датчиком технологического параметра, четвертый вход блока управления соединен с датчиком скорости вращения электродвигателя, который установлен на его валу, причем первый выход блока управления соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения, второй выход -соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения, согласно изменению, он снабжен датчиком напряжения и выключателем, вход которого подключен к входу выпрямителя, управляющий вход выключателя подключен к третьему выходу блока управления, а выход выключателя - к выходу инвертора напряжения, при этом вход датчика напряжения подключен к системе электроснабжения, а выход - к пятому входу блока управления.
Технический результат заключается в уменьшении времени перезапуска преобразователя частоты, т.е. повторного пуска двигателя после кратковременного провала или пропадания напряжения в системе электроснабжения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема преобразователя частоты с широтно-импульсной модуляцией.
Заявляемое устройство содержит выпрямитель 1, выход которого через звено постоянного тока 2 соединен с входом инвертора напряжения 3 с широтно-импульсной модуляцией. Выход инвертора напряжения 3 через датчик тока 4 подключен к электродвигателю переменного тока 5, который приводит во вращение технологический механизм 6, например, насос. Устройство также содержит блок управления 7, первый вход которого соединен с выходом датчика сигнализации нарушения электроснабжения 8 преобразователя частоты. Вход датчика сигнализации нарушения электроснабжения 8 подключен к входу выпрямителя 1, который соединен с системой электроснабжения 9. Второй вход блока управления 7 соединен с выходом датчика тока 4, а третий вход - с датчиком технологического параметра 10, например, расхода или давления. Четвертый вход блока управления 7 соединен с датчиком скорости вращения электродвигателя 11, который установлен на его валу. Первый выход блока управления 7 соединен с первым управляющим входом инвертора напряжения 3, второй выход - соединен со вторым управляющим входом инвертора напряжения. Устройство снабжено датчиком напряжения 12 и выключателем 13, вход которого подключен к входу выпрямителя 1, а выход - к выходу инвертора напряжения 3. Управляющий вход выключателя 13 подключен к третьему выходу блока управления 7. Вход датчика напряжения 12 подключен к системе электроснабжения 9, а выход - к пятому входу блока управления 7. При этом блок управления 7 выполнен на основе программируемого контроллера с возможностью регулирования выходной частоты и выходного напряжения преобразователя, а также выполнения других функций.
Благодаря введенному выключателю, который выполняет функцию «байпаса», быстро восстанавливается скорость вращения электродвигателя после кратковременного нарушения электроснабжения. Одновременно в блоке управления по параметрам математической модели электродвигателя, показаниям датчика тока, датчика скорости и дополнительному датчику напряжения вычисляется положение пространственного вектора поля статора. По положению вектора поля статора вычисляются значения управляющих сигналов частоты f(t) и напряжения u(t) для инвертора напряжения, который подхватывает вращающийся электродвигатель без бросков тока при переключении его от сети на преобразователь частоты.
Общее время перезапуска преобразователя частоты сокращается, что снижает чувствительность электропривода к кратковременным нарушениям электроснабжения и повышает его надежность.
Преобразователь частоты с широтно-импульсной модуляцией работает следующим образом. При пуске преобразователя частоты в блоке управления 7 по известным алгоритмам вычисляют параметры математической модели электродвигателя 5, которые для различных режимов его работы могут уточняться и корректироваться. В рабочем режиме по сигналу с датчика технологического параметра 10 блок управления 7 формирует сигналы управления f(t) и u(t) для инвертора напряжения 3, которые осуществляют регулирование выходной частоты и выходного напряжения преобразователя частоты так, чтобы обеспечить заданные технологические параметры, например, расход или давление. При этом с датчика скорости вращения электродвигателя 11 в блоке управления 7 осуществляется непрерывный контроль текущего (мгновенного) значения скорости вращения ротора. Одновременно в блоке управления 7 по параметрам математической модели электродвигателя, показаниям датчиков напряжения 12 и тока 4 вычисляется положение пространственного вектора поля статора.
1
1
1
В момент времени t с датчика сигнализации нарушения электроснабжения 8 на первый вход блока управления 7 поступает сигнал о нарушении в системе электроснабжения 9. Блок управления 7 запоминает скорость вращения ротора ω(t) прерывает рабочий режим регулирования преобразователя частоты от датчика технологического параметра 10 и переводит его в аварийный режим регулирования. При этом с блока управления 7 подается команда на запирание инвертора напряжения 3, без перевода его в рекуперативный режим, т.е. без приложения к вращающемуся ротору электродвигателя 5 тормозного электромагнитного момента. Это позволяет сохранить энергию инерционного вращения электродвигателя 5 и приводимого им механизма 6. При этом напряжение в звене постоянного тока преобразователя частоты сохраняется неизменное, так как инвертор заперт. Энергия магнитного поля электродвигателя гасится в роторной цепи. Двигатель постепенно останавливается на выбеге, так как за счет инерционных свойств ротор продолжает вращение, а в результате действия момента сопротивления скорость вращения ротора снижается. Одновременно в момент времени tс блока управления 7 подается команда на замыкание выключателя 13, при этом электродвигатель 5 подключается непосредственно к системе электроснабжения 9.
2
В момент времени t с датчика сигнализации нарушения электроснабжения 8 на первый вход блока управления 7 поступает сигнал о восстановлении напряжения в системе электроснабжения 9. Блок управления 7 прерывает режим аварийного регулирования преобразователя частоты. Через замкнутый выключатель 13 осуществляется прямой пуск электродвигателя 5 от системы электроснабжения 9 с максимальным темпом, определяемым самим электродвигателем.
3
3
1
3
3
3
В момент времени t скорость вращения ротора ω(t) достигает значения скорости ω(t), при которой пропало напряжение в системе электроснабжения 9. По команде с блока управления 7 выключатель 13 размыкает цепь питания электродвигателя 5 от системы электроснабжения 9. Одновременно для этого момента времени по вычисленному положению пространственного вектора поля статора в блоке управления 7 вычисляют значения управляющих сигналов частоты f(t) и напряжения u(t) для инвертора напряжения 3, который без бросков тока подхватывает вращающийся электродвигатель 5. С момента времени t включают рабочий режим регулирования преобразователя частоты по технологическому параметру с датчика 10.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет повысить надежность работы частотно-регулируемого электропривода ответственного механизма при кратковременных провалах или пропадании напряжения в системе электроснабжения, осуществить перезапуск преобразователя частоты на вращающийся двигатель за более короткий промежуток времени после восстановления напряжения в системе электроснабжения.