Устройство автоматизированного управления асинхронным двигателем
Полезная модель относится к области автоматизированного электропривода и может быть использована для повышения надежности управления электроприводами переменного тока в различных, в том числе, аварийных режимах эксплуатации. Принцип работы устройства основан на анализе закономерностей изменения внешнего магнитного поля, создаваемого понижающим трансформатором, питающим мостовую схему выпрямления схемы динамического торможения асинхронного двигателя. При появлении в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «обрыв» диода, что приводит к увеличению продолжительности выбега вала за счет уменьшения величины средневыпрямленного напряжения, подаваемого на статорную обмотку асинхронного двигателя при динамическом торможении, внешнее магнитное поле понижающего трансформатора деформируется, что фиксирует датчик магнитного поля. Сигнал с выхода датчика преобразуется логическим устройством в управляющее воздействие, подключающее дополнительную обмотку ко вторичной обмотке понижающего трансформатора, за счет чего происходит увеличение средневыпрямленного напряжения, подаваемого на статорную обмотку асинхронного двигателя, и увеличение продолжительности времени торможения.
Предлагаемая полезная модель относится к области автоматизированного электропривода и может быть использована для повышения надежности и эффективности управления электроприводом переменного тока.
Известно устройство управления асинхронным двигателем (АД), в котором управление осуществляется в функции угловой скорости с помощью индукционного реле контроля угловой скорости, связанного с валом АД (Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981, с.412). Данное устройство обладает рядом недостатков: высокие тепловые и механические нагрузки приводят к быстрой поломке двигателя, т.е. к снижению надежности электропривода в целом. Кроме того, данное устройство не позволяет осуществить управление АД в функции времени.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство, реализующее способ управления АД в функции времени (Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. М.: Энергоиздат, 1981, с.415). Устройство содержит узел динамического торможения, представляющий собой однофазный понижающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к фазам питающего напряжения, а вторичная обмотка подключена ко входу однофазной мостовой схемы выпрямления, выход которой подключен к двум фазам АД. Узел динамического торможения подключен к фазам источника по входу и фазам двигателя по выходу через контакты контактора динамического торможения, входящего в состав узла управления, содержащего помимо этого, линейный (пусковой) контактор, реле времени, кнопки управления («Пуск» и «Стоп») и
релейно-контактную группу, обеспечивающую логику работы узла управления. Достоинством устройства, выбранного за прототип, является относительная простота технической реализации. Вместе с тем, серьезным недостатком устройства является следующее. В случае появления в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «обрыв» диода она трансформируется в однополупериодную, что приводит к снижению средневыпрямленного напряжения, приложенного к фазам статора при реализации динамического торможения АД. Уменьшение напряжения, в свою очередь, приводит к увеличению времени выбега вала АД.
Эта типичная и достаточно распространенная неисправность может привести к развитию серьезных аварийных процессов. Например, использование аналогичной схемы для управления АД, применяемого в качестве электропривода переключателя обмоток в силовых трансформаторах с регулируемым выходным напряжением, приводит (при появлении указанной неисправности) к образованию постоянно накапливающейся ошибки в регулировании, что вызывает нерасчетное изменение регулируемого выходного напряжения, подгорание контактов и выход из строя переключателя обмоток и, в конечном итоге, аварию трансформатора.
Предлагаемое устройство направлено на повышение надежности и эффективности управления АД.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что ко вторичной обмотке трансформатора узла динамического торможения, в случае появления в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «обрыв» диода, последовательно подключается дополнительная обмотка. Это приводит к возрастанию НРЦ, индуцируемой во вторичной обмотке трансформатора, что, в свою очередь, приводит к увеличению средневыпрямленного напряжения на выходе мостовой схемы выпрямления, трансформировавшейся вследствие неисправности диода, в однополупериодную. Управление подключением дополнительной обмотки производится автоматически, дополнительно введенным в устройство измерительно-преобразовательным
узлом, содержащим датчик магнитного поля, преобразовательный, логический и исполнительный элементы.
Как известно, в процессе работы трансформатора под действием магнитного поля тока, протекающего по первичной обмотке, происходит периодическое перемагничивание его сердечника. Процесс намагничивания и перемагничивания ферромагнетиков имеет сложную физическую природу, связанную с наличием подвижной доменной структуры, которая весьма чувствительна к режиму работы трансформатора, в особенности, к наличию постоянного магнитного поля, подмагничивающего сердечник.
В случае работы однофазного трансформатора с мостовой схемой выпрямления ток, протекающий по вторичной обмотке через диоды схемы выпрямления и нагрузку (обмотки статора АД) также создает магнитный поток в сердечнике трансформатора и дает вклад во внешнее магнитное поле трансформатора. Если все диоды в мостовой схеме выпрямления исправны, то ток нагрузки во вторичной обмотке имеет равную величину для обоих полупериодов, в результате постоянная составляющая тока, протекающего через вторичную обмотку, будет равна нулю.
На фиг.1 приведены графики, поясняющие физическую сторону процессов, происходящих в трансформаторе. Известно, что для ферромагнетиков связь между индукцией (В) и напряженностью (Н) магнитного поля имеет сложный характер. Кривая 1 (фиг.1а, б) отображает типичную зависимость В(Н) для трансформаторной стали. При отсутствии дополнительного подмагничивания изменяющаяся по гармоническому закону напряженность магнитного поля (кривая 2, рис.1a) приводит к созданию симметричной относительно оси абсцисс кривой индукции магнитного поля (кривая 3, рис.1a).
Напряженность Н магнитного поля, создаваемого первичной обмоткой, пропорциональна току в ней. Пренебрегая реакцией вторичной обмотки, можно выразить ток первичной обмотки I 1 следующим образом:
где U0 - амплитуда напряжения на первичной обмотке;
- частота напряжения;
L - индуктивность первичной обмотки.
Если обозначить 
(Н) проницаемость сердечника, то, используя пропорциональность индуктивности напряженности магнитного поля, можно записать
При появлении в мостовой схеме выпрямления неисправности типа «обрыв» диода схема трансформируется в однополупериодную, при этом ток во вторичной обмотке имеет существенную величину только для одного полупериода. В результате появляется постоянная составляющая тока нагрузки, приводящая к дополнительному подмагничиванию сердечника. Намагничивание сердечника смещает рабочую точку трансформатора в одну или другую сторону (фиг.1б). В новой рабочей точке кривая В(Н) более полога (кривая 1, фиг.1б), а значит 
уменьшается, что в соответствии с (1) приводит к возрастанию тока I1 и, соответственно, амплитуды Н (кривая 2, фиг.1б). Нелинейность зависимости В(Н) приводит к генерации специфической формы кривой внешнего магнитного поля (кривая 3, фиг.1б) трансформатора, резко возрастает его амплитуда и изменяется симметрия сигнала относительно оси абсцисс, при этом фаза возникающего дополнительного внешнего магнитного поля зависит от того, в каком из плеч мостовой схемы выпрямления возникла неисправность.
На фиг.2 представлена функциональная схема устройства, предлагаемого в качестве полезной модели.
Устройство автоматизированного управления асинхронным двигателем содержит асинхронный двигатель (3), подключаемый через контакты линейного
контактора (КЛ1) к фазам питающей сети. Устройство содержит узел динамического торможения, включающий в себя однофазный понижающий трансформатор (1), первичная обмотка которого через замыкающий контакт (КТ1) контактора динамического торможения подключается к фазам питающего напряжения. Вторичная обмотка трансформатора через размыкающий контакт (КОб1) контактора включения обмотки подключена ко входу мостовой схемы выпрямления 2, выход которой через замыкающий контакт (КТ2) контактора динамического торможения подключается к фазам асинхронного двигателя. Последовательно со вторичной обмоткой трансформатора через замыкающий контакт (КОб2) подключается дополнительная обмотка (10).
В состав устройства автоматизированного управления асинхронным двигателем входит также узел управления (11), представляющий собой релейно-контактную схему, обеспечивающую пусковые и остановочные операции. Узел содержит контактор линейный (КЛ), при срабатывании подключающий АД к фазам питающей сети, контактор динамического торможения (КТ), при срабатывании подключающий узел динамического торможения к фазам питающей сети и обмоткам АД, реле времени (РВ), пусковую (К1), остановочную (К2) кнопки и контакты контакторов КЛ, КТ и реле РВ, выполняющих различные коммутационные функции.
В состав предлагаемого устройства включен измерительно-преобразовательный узел, содержащий датчик магнитного поля (4), размещенный вблизи понижающего трансформатора узла динамического торможения, подключенный к усилителю (5), выход которого через разделительные диоды (6) подключается к двум импульсным усилителям (7), выходы которых подключены к логическому устройству (8), выход которого подключен к исполнительному элементу (9) - контактору включения обмотки (КОб), который при срабатывании подключает дополнительную обмотку (10) в узле динамического торможения ко вторичной обмотке понижающего трансформатора (1).
Устройство работает следующим образом.
При нажатии Кн1 срабатывает контактор КЛ. Своими контактами КЛ1 он подключает АД к фазам питающей сети, КЛ2 - замыкает цепь питания обмотки реле времени РВ, КЛ3 - размыкает цепь питания обмотки контактора КТ, а КЛ4 - шунтирует Кн1. АД запускается, одновременно срабатывает РВ и своим контактом РВ подготавливает цепь срабатывания КТ.
При остановке АД нажимается кнопка Кн2, при этом размыкается цепь обмотки контактора КЛ. Своими контактами КЛ1 от отключает АД от фаз питающей сети, КЛ2 - размыкает цепь питания обмотки реле времени РВ, К3 - замыкает цепь питания обмотки контактора КТ и КЛ4 - расшунтирует кнопку Кн1. Контактор КТ срабатывает. Своими контактами КТ он размыкает цепь питания обмотки КЛ (блокировка от повторного включения), КТ1 - подключает цепь первичной обмотки трансформатора 1 к фазам питающей сети, а КТ2 - выход схемы выпрямления к двум фазным обмоткам АД. Постоянный (средневыпрямленный) ток поступает на обмотку статора АД, вследствие чего осуществляется динамическое торможение, которое будет проходить до полной остановки вала АД. По окончании торможения размыкается контакт РВ, после чего обесточивается обмотка контактора КТ. Своими контактами КТ он подготавливает цепь включения КЛ, а КТ1 и КТ2 отключает узел динамического торможения от фаз питающей сети и фазных обмоток АД соответственно.
Таким образом, управление АД производится в функции времени, задаваемого выдержкой времени реле РВ, которая определяется из условия:
где Мт и M с - соответственно момент динамического торможения и статический момент, обусловленный нагрузкой на валу двигателя. Интенсивность торможения определяется величиной постоянного (средневыпрямленного) тока, проходящего по обмоткам статора, который, в свою очередь, определяется значением средневыпрямленного напряжения.
При нормальной работе узла динамического торможения (исправной работе диодов мостовой схемы выпрямления) подмагничивание трансформатора отсутствует и внешнее магнитное поле характеризуется симметричной формой кривой индукции для обоих полупериодов. Сигнал с выхода датчика магнитного поля (4) измерительно-преобразовательного узла через усилитель (5) и разделительные диоды (6) поступает на импульсные усилители (7). Разделенный по знаковому признаку и усиленный по амплитуде сигнал поступает на входы логического устройства (8), содержащего два компаратора, настроенных на одинаковое напряжение срабатывания, выходы которых подключены ко входам логической схемы «ИЛИ». При равенстве амплитуд двух входных сигналов сигнал на выходе логического устройства будет равен нулю, контактор включения обмотки (9) не сработает, вследствие чего узел динамического торможения будет работать в обычном режиме.
При возникновении неисправности типа «обрыв» одного из диодов мостовой схемы выпрямления в понижающем трансформаторе (1) возникают значительные несимметричные токи, вызывающие деформацию внешнего магнитного поля трансформатора, что также фиксируется датчиком магнитного поля (4). После усиления и преобразования на входы А и В логической схемы «ИЛИ» логического устройства 8 поступают разноуровневые сигналы, что приводит к появлению выходного сигнала логического устройства и срабатыванию контактора включения дополнительной обмотки 9 (КОб). При этом происходит последовательное подключение дополнительной обмотки ко вторичной обмотке понижающего трансформатора 1. Вследствие этого изменится коэффициент трансформации трансформатора, что приведет к увеличению напряжения во вторичной обмотке трансформатора, а значит и увеличится значение средневыпрямленного напряжения на выходе схемы выпрямления, прикладываемого к статорным обмоткам АД при торможении. За счет этого временные характеристики динамического торможения (в том числе интенсивность торможения) останутся неизменными.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет увеличить надежность системы управления АД за счет введения в схему управления измерительно-преобразовательного узла, реализующего бесконтактный способ регистрации неисправности в виде «обрыва» диодов мостовой схемы выпрямления узла динамического торможения и исключения влияния этой неисправности на эффективность управления АД.
Устройство автоматизированного управления асинхронным двигателем, включающее в свой состав узел управления, содержащий включенные параллельно к источнику постоянного напряжения контактор линейный, подключенный через замыкающую пусковую кнопку и размыкающую стоповую кнопку и размыкающий первый контакт контактора динамического торможения, реле времени, подключенное через замыкающий второй контакт контактора линейного и контактор динамического торможения, подключенный через замыкающий контакт реле времени и размыкающий третий контакт контактора линейного, при этом замыкающая первая группа контактов при срабатывании контактора линейного производит подключение фаз трехфазного источника напряжения к фазам статорной обмотки асинхронного двигателя, а также узел динамического торможения, содержащий понижающий однофазный трансформатор, первичная обмотка которого через замыкающий второй контакт контактора динамического торможения подключается к двум фазам трехфазного источника напряжения, а вторичная обмотка подключается ко входу мостовой схемы выпрямления, выход которой через замыкающие третьи контакты контактора динамического торможения подключается к двум фазам асинхронного двигателя, отличающееся тем, что с целью повышения надежности работы устройства в понижающий однофазный трансформатор узла динамического торможения введена дополнительная обмотка, последовательное подключение которой ко вторичной обмотке трансформатора в случае возникновения неисправности типа «обрыв» диода мостовой схемы выпрямления узла динамического торможения осуществляет контакт контактора включения дополнительной обмотки, входящего в измерительно-преобразовательный узел, содержащий датчик магнитного поля, размещенный вблизи понижающего трансформатора узла динамического торможения, выход которого подключен к усилителю, выход которого через параллельно-встречно соединенные разделительные диоды подключен к двум импульсным усилителям, выходы которых подключены к логическому устройству, в состав которого входят два компаратора, настроенных на одинаковое напряжение срабатывания, входы которых соединены с выходами соответствующих импульсных усилителей, а выходы - со входами логической схемы «ИЛИ», выход которой подключен к контактору включения дополнительной обмотки.
