Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя на базе частотного преобразователя

Полезная модель относится к электромеханическим системам и, в частности, к средствам автоматизации силового электропривода, и может быть использовано в учебном процессе в качестве учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя построенного на базе частотного преобразователя. Учебный стенд по автоматизированному электроприводу предназначен для повышения эффективности изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя за счет расширения числа демонстрируемых процессов при разгоне асинхронной машины. Стенд дополнительно снабжен переключателем для коммутации четырех цепей на два фиксированных положения, четырьмя нормально открытыми контактами, микроконтроллером, первой и второй входы которого соединены с двумя программируемыми логическими выходами устройства плавного пуска, первый, второй, третий, четвертый программируемые входы устройства плавного пуска каждый через одну из четырех цепей в первом фиксированном положении подключен к четырем выходам микроконтроллера, а во втором фиксированном положении переключателя коммутации эти четыре программируемые входы каждый через соответствующий нормально открытый контакт подключен к источнику постоянного напряжения +24 В, входящего в состав устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя.

Полезная модель относится к электромеханическим системам, и в частности, к средствам автоматизации силового электропривода, и может быть использовано в учебном процессе в качестве учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя, построенного на базе частотного преобразователя.

Существуют электропривода переменного тока с частотным регулированием (f), которые строятся на базе преобразователей частоты со звеном постоянного тока и управляемым выпрямителем, применяемых для объектов управления М_c=const. Основу электроприводов составляет инвертор тока (напряжения), от которого получает питание (U) статорная цепь асинхронного электродвигателя с законом управления U/f=const.

Инверторы тока (напряжения) строятся преимущественно на полупроводниковых биполярных транзисторах с изолированным затвором IGBT, имеющим основные преимущества в виде низких потерь в импульсном режиме, высокую допустимую плотность тока, практически прямоугольную область безопасной работы. Инвертор тока (напряжения) выполняется в базовом варианте (без параллельно-последовательного включения транзисторов) на шести ключах, одна группа в составе нечетных ключей подключена к положительному зажиму управляемого выпрямителя, а другая группа в составе четных ключей подключена к отрицательному зажиму управляемого выпрямителя. У первой группы ключей коллекторные зажимы соединены, а у второй группы эмиттерные зажимы соединены. Эмиттерный зажим каждого ключа первой группы соединен с коллекторным зажимом ключа второй группы и подсоединены к статорной обмотке асинхронного электродвигателя. Таким образом, к статору асинхронного электродвигателя подсоединены три цепи от управляемого инвертора. Рассматривая широкий круг теоретических вопросов построения электроприводов переменного тока с частотным регулированием с представлением машины переменного тока по различным математическим моделям, в источнике не раскрывается вопрос устройства плавного пуска электропривода, хотя вопрос актуален, поскольку бросок роторного I₂ (потребляемого) тока достигает семикратного - десятикратного значения номинального тока (I_H) при питающем напряжении U в силу известного соотношения:

Такой большой бросок роторного тока объясняется тем, что скольжение машины s при пуске равно s=1 и по мере разгона электропривода уменьшается до значения s=0.02÷0.03, поскольку определяется соотношением где ₀ - скорость идеального холостого хода; - текущее значение скорости, в частности номинального значения =_H; r₁ - активное сопротивление статорной цепи; - приведенное активное сопротивление роторной цепи; x _K - индуктивное сопротивление короткого замыкания. В свою очередь значительный бросок роторного тока приводит к большому падению напряжения в питающей сети, снижению показателей качества питающего напряжения, уменьшению напряжения непосредственно на клеммах статора, значительному уменьшению критического момента машины (пропорционально квадрату напряжения на клеммах статора), т.е. к ухудшению энергетических показателей, а иногда и невозможности вообще организовать процесс запуска электропривода. Отсюда следует необходимость в учебных стендах для изучения устройств плавного пуска асинхронного электродвигателя на базе частотных преобразователей.

Известно устройство для плавного пуска асинхронного электродвигателя описанное в [2], которое принятое авторами за прототип, поскольку оно наиболее близко к предполагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту. Устройство для плавного пуска асинхронного двигателя содержит в силовых цепях вольтодобавочный регулятор, соединяющий статорные обмотки двигателя с источником питающего сетевого напряжения, а в цепях управления - задатчик интенсивности изменения напряжения вольтодобавки в процессе пуска. Устройство отличается тем, что в качестве указанного регулятора используют трехфазный вольтодобавочный трансформатор, первичные обмотки которого, соединены по схеме «звезда», своими первыми выводами подключены к источнику сетевого напряжения, а вторичные обмотки, включенные встречно-параллельно со статорными обмотками двигателя, присоединены к этому же сетевому источнику и тем самым служат для создания отрицательного напряжения вольтодобавки, причем нулевая точка в цепях соединения первичных обмоток трансформатора по схеме «звезда» образуется присоединением их вторых выводов к зажимам переменного тока трехфазного диодного моста, между зажимами постоянного тока которого в проводящем направлении включен силовой транзисторный ключ, на управляющий вход которого поступает высокочастотный широтно-модулированный импульсный сигнал с выхода указанного задатчика интенсивности. Недостатком устройства является достаточно низкие технико-экономические показатели пускового устройства вызванное инерционностью силового регулятора, ограниченный ресурс его работы, а так же ограниченные и мало эффективные функциональные возможности его изучения и в частности на учебных стендах. Перспективно построение устройства и стенда на его основе с использованием полупроводниковых микропроцессорных средств, что существенно повышает технико-экономические показатели при одновременном увеличении числа демонстрируемых процессов при разгоне машины.

Техническим результатом является повышение технико-экономических показателей устройства плавного пуска при одновременном увеличении числа демонстрируемых процессов при разгоне машины.

Технический результат достигается тем, что в учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя на базе частотного преобразователя содержащего трехфазную цепь промышленной частоты, два контактора, асинхронный электродвигатель, два входа для зондов, кнопку аварийного отключения, нормально открытый контакт программируемого реле начала пуска, нормально открытый контакт программируемого реле окончания пуска, устройство плавного пуска, три силовых клеммы которого подключены к выходным силовым клеммам первого контактора, входные силовые клеммы которого подключены к трехфазной сети промышленной частоты, входные силовые зажимы второго контактора подсоединены к силовым выходным клеммам первого контактора, выходные клеммы второго контактора подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому силовым клеммам устройства плавного пуска, седьмой, восьмой и девятый силовые клеммы которого связаны со статорными клеммами асинхронного электродвигателя, начала катушек двух контакторов соединены и через кнопку аварийного отключения подключены к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, концы катушек первого и второго контакторов соответственно через нормально открытый контакт программируемого реле начала пуска и нормально открытый контакт программируемого реле окончания пуска подключены к фазе трехфазной сети промышленной частоты, к двум входам устройства плавного пуска подключены зонды контроля температурного состояния асинхронного электродвигателя дополнительно, включены переключатель для коммутации четырех цепей на два фиксированных положения, четыре нормально открытых контакта, микроконтроллер, первый и второй входы которого соединены с двумя программируемыми логическими выходами устройства плавного пуска, первый, второй, третий, четвертый программируемые входы устройства плавного пуска каждый через одну из четырех цепей в первом фиксированном положении подключен к четырем выходам микроконтроллера, а во втором фиксированном положении переключателя коммутации эти четыре программируемые входы каждый через соответствующий нормально открытый контакт подключены к источнику постоянного напряжения +24 В, входящего в состав устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя.

На фиг.1 представлена блочная схема учебного стенда по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя, обозначения на котором соответствуют: 1 - трехфазная сеть промышленной частоты; 2 - первый контактор; 3 - второй контактор; 4 - асинхронный электродвигатель; 5, 6 - два входа для зондов; 7 - кнопка аварийного отключения; 8 - нормально открытый контакт программируемого реле начала пуска; 9 - нормально открытый контакт программируемого реле окончания пуска; 10 - устройство плавного пуска; 11 - выходные силовые клеммы первого контактора 8; 12 - три силовых клеммы устройства плавного пуска 10; 13 - входные силовые клеммы первого контактора 2; 14 - входные силовые зажимы второго контактора 3; 15 - выходные клеммы второго контактора; 16 - четвертый, пятый и шестой иловые клеммы устройства плавного пуска 10; 17 - седьмой, восьмой и девятый силовые клеммы устройства плавного пуска 10; 18 - переключатель для четырех цепей на два фиксированных положения; 19, 20, 21, 22 - четыре нормально открытых контактора переключателя 18; 23 - микроконтроллер; 24 - первый вход микроконтроллера; 25 - второй вход микроконтроллера; 26 - первый программируемый логический выход устройства плавного пуска 10; 27 - второй программируемый логический выход устройства плавного пуска 10; 28 - первый программируемый логический вход устройства плавного пуска 10; 29 - второй программируемый логический вход устройства плавного пуска 10; 30 - третий программируемый логический вход устройства плавного пуска 10; 31 - четвертый программируемый логический вход устройства плавного пуска 10; 32 - первый выход микроконтроллера 23; 33 - второй выход микроконтроллера 23; 34 - третий выход микроконтроллера 23; 35 - четвертый выход микроконтроллера 23; 36 - первый нормально открытый контакт; 37 - второй нормально открытый контакт; 38 - третий нормально открытый контакт; 39 - четвертый нормально открытый контакт.

К трехфазной промышленной сети 1 подключены входные силовые клеммы 13 первого контактора 2, катушка которого через нормально открытый контакт 8 программируемого реле начала пуска своим концом подключена на фазное напряжение. Катушка второго контактора 3 через нормально открытый контакт 9 программируемого реле окончания пуска своим концом подключена на фазное напряжение. Начала катушек контакторов 2 и 3 соединены и через кнопку 7 аварийного отключения подключены к нулевому проводу трехфазной промышленной сети 1. Выходные силовые клеммы 11 первого контактора 2 подключены к трем силовым клеммам 12 устройства плавного пуска 10. Входные силовые зажимы 14 второго контактора 3 подсоединены к силовым выходным клеммам 11 первого контактора 2. Выходные клеммы 15 второго контактора 3 подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому силовым клеммам 16 устройства плавного пуска 10. Два входа 5 и 6 устройства плавного пуска 10 предназначены для подключения зондов температурной защиты асинхронного электродвигателя 4. Седьмой, восьмой и девятый силовые клеммы 17 связаны со статорными клеммами асинхронного электродвигателя 4. Микроконтроллер 23 получает питание от одной из фаз трехфазной сети 1 стенда и имеет первый и второй входы соответственно 24 и 25, которые соединены с двумя программируемыми логическими выходами 26 и 27 устройства плавного пуска 10. Устройство плавного пуска 10 имеет первый программируемый 28 вход, второй программируемый 29 вход, третий программируемый 30 вход, четвертый программируемый 31 вход. В стенд включен переключатель 18 для коммутации четырех цепей на два фиксированных положения входов 28, 29, 30, 31 устройства плавного пуска 10. Переключатель 18 в первом фиксированном положении четырьмя нормально открытыми контактами 19, 20, 21, 22 подключен соответственно к четырем выходам 32, 33, 34 и 35 микроконтроллера 23. Во втором фиксированном положении переключателя 18 на четыре цепи каждый контакт подключен к выходному зажиму нормально открытого контакта - вход 28 устройства плавного пуска 10 подключен к входному зажиму нормально открытого контакта 36, вход 29 устройства плавного пуска 10 подключен к входному зажиму нормально открытого контакта 37; вход 30 устройства плавного пуска 10 подключен к входному зажиму нормально открытого контакта 38; вход 31 устройства плавного пуска 10 подключен к входному зажиму нормально открытого 39. Выходные зажимы четырех нормально открытых контактов 36, 37, 38, 39 соединены и подключены к источнику постоянного напряжения +24 В, входящего в состав устройства плавного пуска 10 асинхронного электродвигателя 4.

Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения плавного пуска асинхронного электродвигателя работает следующим образом. При пуске срабатывает нормально открытый контакт 8 программируемого реле начала пуска, что приводит к включению первого контактора 2, замыканию входных 13 и выходных 11 силовых клемм этого контактора, в результате чего на силовые клеммы 12 устройства плавного пуска 10 подается трехфазное напряжение от сети 1. На статор асинхронной машины 4 с силовых клемм 17 устройства плавного пуска 10 подается трехфазное напряжение, определяемое заданной уставной статорного тока электродвигателя. Разгон электродвигателя 4 осуществляется при постоянстве заданного статорного тока в пределах, в частности двукратного, трехкратного превышения нормального тока электродвигателя. По окончанию первого этапа разгона срабатывает нормально открытый контакт 9 программируемого реле окончания пуска, что приводит к срабатыванию второго контактора 3, замыканию входных 14 и выходных 15 его клемм и подаче трехфазного напряжения на силовые клеммы 16 устройства плавного пуска 10 - осуществляется разгон до номинальной скорости электродвигателя 4 при тех же уставах статорного тока. Следовательно, разгон электродвигателя 4 осуществляется с постоянным ускорением при постоянстве заданного статорного тока во всем скоростном режиме машины вплоть до номинального значения скорости. При разгоне электродвигателя 4 контролируется его температурный режим с помощью зондов включаемых на входы 5 и 6 устройства плавного пуска 10, за счет чего производится автоматическая коррекция токов уставки при пуске и соответственно напряжение этапа. Для аварийной остановки электродвигателя 4 предусмотрена кнопка 7 аварийного отключения, нажатие на которую приводит к снятию напряжения питания с катушек контакторов 2, 3 и отключению устройства плавного пуска 10 от трехфазной сети 1. Программируемыми величинами устройства плавного пуска 10 могут быть: момент развиваемый во время ускорения и замедления, номинальный ток электродвигателя (0,4-1,3 номинального значения), максимальный пусковой ток в пределах 1,5-7 номинального значения, остановка под контролем момента от 0,5 до 60 сек., (останов с заданным темпом), работа нескольких электродвигателей от преобразователя. Первый программируемый логический выход 26 устройства плавного пуска 10 связан с первым входом 24 микроконтроллера 23. Второй программируемый логический выход 27 устройства плавного пуска 10 связан со вторым входом 25 микроконтроллера 23. Управление устройством плавного пуска 10 может осуществляться как в ручном, так и в автоматическом режиме, для чего предусмотрен в стенде переключатель 18. При верхнем положении контактной системы 18 устройство плавного пуска 10 работает в автоматическом режиме, когда образуются цепи: 28-18-19-35, 29-18-20-34, 30-18-21-33, 31-18-22-32 и осуществляется режимы автоматического пуска, останова, контроля заданных соответствующих параметров на третьем 30 и четвертом 31 программируемых входах устройства плавного пуска 10. При нижнем положении контактной системы переключателя 18 устройство плавного пуска 10 работает в ручном режиме управления, когда образуются цепи: 28-18-36+24 В, 29-18-37+24 В, 30-18-38+24 В, 31-18-39+24 В и соответствующими тумблерами 36, 37, 38, 39 осуществляются режимы ручного пуска, останова, задания соответствующих параметров на третьем 30 и четвертом 31 программируемых входах устройства плавного пуска 10. В стенде предусмотрен также режим автономной работы микроконтроллера 23 без устройства плавного пуска 10, для чего трехфазное напряжение от сети 1 на устройство плавного пуска 10 не подается (контакторы 2, 3 отключены) и в ручном режиме производится изучение широких логических возможностей микроконтроллера 23, применительно к разнообразным промышленным производственным процессам.

Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска может использоваться, как при индивидуальном, так и групповом обучении аудитории.

Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя на базе частотного преобразователя имеет в своем составе устройство плавного пуска ATS48D17Q и микроконтроллер TWDLCAE40DRF.

Используемая информация.

1 - Г.Г.Соколовский. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием, -М., ACADEMA, 2006.

2. - Патент РФ RU 2294592 С1, МПК Н02Р 1/16. Опубликован: 27.02.2007 Бюл. 6

Учебный стенд по автоматизированному электроприводу для изучения устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя на базе частотного преобразователя, содержащий трехфазную сеть промышленной частоты, два контактора, асинхронный электродвигатель, два входа для зондов, кнопку аварийного отключения, нормально открытый контакт программируемого реле начала пуска, нормально открытый контакт программируемого реле окончания пуска, устройство плавного пуска, три силовых клеммы которого подключены к выходным силовым клеммам первого контактора, входные силовые клеммы которого подключены к трехфазной сети промышленной частоты, входные силовые зажимы второго контактора подсоединены к силовым выходным клеммам первого контактора, выходные клеммы второго контактора подключены соответственно к четвертому, пятому и шестому силовым клеммам устройства плавного пуска, седьмой, восьмой и девятый силовые клеммы которого связаны со статорными клеммами асинхронного электродвигателя, начала катушек двух контакторов соединены и через кнопку аварийного отключения подключены к нулевой точке трехфазной сети промышленной частоты, концы катушек первого и второго контакторов соответственно через нормально открытый контакт программируемого реле начала пуска и нормально открытый контакт программируемого реле окончания пуска подключены к фазе трехфазной сети промышленной частоты, к двум входам устройства плавного пуска подключены зонды контроля температурного состояния асинхронного электродвигателя, отличающийся тем, что учебный стенд дополнительно снабжен переключателем для коммутации четырех цепей на два фиксированных положения, четырьмя нормально открытыми контактами, микроконтроллером, первой и второй входы которого соединены с двумя программируемыми логическими выходами устройства плавного пуска, первый, второй, третий, четвертый программируемые входы устройства плавного пуска каждый через одну из четырех цепей в первом фиксированном положении подключен к четырем входам микроконтроллера, а во втором фиксированном положении переключателя коммутации эти четыре программируемые входы каждый через соответствующий нормально открытый контакт подключены к источнику постоянного напряжения +24 В, входящего в состав устройства плавного пуска асинхронного электродвигателя.