способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя

Формула изобретения

Способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, заключающийся в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя, в случае обнаружения отказа в одной из фаз в системе управления вентильным двигателем изменяют задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение /3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки , определяемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении = /2 в трехфазном режиме на угол нагрузки , определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении = /6 в двухфазном режиме, отличающийся тем, что используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов I ; значение текущего кода датчика положения ротора ; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора и значение углов и , затем определяют значение битов по отказам фаз а, b, с и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a b c, где - логическая операция ИЛИ, и в результате формируют задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям или для опережающей фазы вектора тока:

или для отстающей фазы вектора тока:

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкорегулирумых вентильных двигателях.

Известен способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя для механизмов космических станций с высокоточным управлением (Fault-tolerant permanent magnet machine drives/ Mecrow B.C., Jack A.G., Haylock J.A., Coles J.// IEE Proc. Elec. Power Appl. [IEE Proc. В]. - 1996. V. 143, №6. - P.437-442), в котором осуществляют восстановление работоспособности при неисправности типа: короткое замыкание и обрыв фазы. Живучесть обеспечивают диагностикой с последующим отключением отказавшей фазы многофазного вентильного двигателя.

Недостатком этого способа является повышенная сложность аппаратной части для его осуществления вследствие применения принципа глубокого резервирования.

Известен способ аварийного пуска в заданном направлении вентильного двигателя (Патент Японии №49-45081, кл. 55 С2, 1974), в котором на синхронную машину, управляемую от преобразователя частоты по сигналам датчика положения индуктора, подают команду на движение индуктора в заданном направлении за счет открывания ключей преобразователя частоты в определенной комбинации, контролируют неподвижное состояние индуктора, затем подают команду на управляющие цепи ключей преобразователя частоты, обеспечивая комбинацию их включения, отличную от первоначальной. При этом вероятность пуска электродвигателя составляет 0,75 и есть определенные положения индуктора, когда вентильный электродвигатель может не запуститься или запуститься в противоположном заданному направлении.

Недостатком способа аварийного пуска является ограниченная вероятность пуска 0,75 (менее 1) и возможны положения индуктора, при которых пуск двигателя осуществляется в направлении, противоположном заданному.

Известен способ аварийного пуска в заданном направлении вентильного электродвигателя (А.с. СССР №1124416, МКИ³ Н02Р 1/04, 6/02/; Н02К 29/02. - Опубл. в БИ №42, 1984), управляющий синхронной машиной от преобразователя частоты по сигналам датчика положения индуктора, при котором подают команду на движение индуктора в заданном направлении за счет открытия ключей преобразователя частоты в определенной комбинации, контролируют неподвижное состояние индуктора. Затем подают команду на управляющие цепи ключей преобразователя частоты. Команду подают на движение индуктора в противоположном направлении, обеспечивая перемещение индуктора на угол , причем

где m и p - числа секций и пар полюсов синхронной машины;

- относительная величина перекрытия последовательности работающих ключей преобразователя частоты;

k=0, 1, 2... (целое число). После этого по той же цепи подают команду на движение индуктора в заданном направлении. При этом вероятность пуска электродвигателя составляет 0,95.

Недостатком способа аварийного пуска является ограниченная вероятность пуска 0,95 (менее 1).

Известен способ управления вентильным двигателем (А.с. СССР №1277340, МКИ³ Н02Р 6/02. - Опубл. в БИ №46, 1986), позволяющий обеспечить живучесть и улучшить энергетические характеристики при неисправности типа «обрыв в цепи обмотки якоря», заключающийся в том, что на каждом межкоммутационном интервале

=2 /mp,

где m 3 - число фаз обмотки якоря,

p - число пар полюсов электродвигателя,

последовательно подключают к источнику питания и отключают от него фазы обмотки якоря (с помощью ключей m-фазного преобразователя частоты). Контролируется потребляемый ток и при отсутствии потребления тока формируется сигнал управления, изменяющий последовательность подключения и отключения фаз обмотки якоря к источнику питания. В каждый коммутационный момент времени при отсутствии потребления тока повторно включается отключаемый i-й ключ на длительность /2, по истечении которого i-й ключ отключают.

Включают (i+2)-ключ, принадлежащий той же группе ключей, например анодный, на длительность /2, а затем последовательность подключения и отключения фаз обмотки якоря восстанавливают. Для вентильных электродвигателей с однополупериодным преобразователем частоты для реализации этого способа управления необходимо выполнять датчик положения ротора с повышенной разрешающей способностью для того, чтобы обеспечить фиксацию прохождения индуктором углового интервала /2, равного половине межкоммутационного интервала .

Недостатком этого технического решения является ограниченная область применения - невозможность функционирования в электроприводе с синусоидальной формой тока, что ограничивает диапазон регулирования частоты вращения.

Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (А.с. СССР №1746482, МКИ³ Н02Р 7/42. - Опубл. в БИ №25, 1992), выбранный в качестве прототипа, который заключается в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции диагностируют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя. В случае обнаружения отказа в одной из фаз система управления вентильного двигателя изменяет задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение /3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущая сила в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным /6 в двухфазном режиме.

Недостатком этого технического решения являются: реверсирование вращения вала двигателя при переключении из трех в двухфазный аварийный режим, повышенные аппаратные затраты, необходимые для отработки алгоритма восстановления при отказе в одной из трех фазных преобразовательных ячеек электропривода, повышенная сложность программного обеспечения в случае реализации системы управления вентильного электропривода со свойством живучести в современном микропроцессорном (микроконтроллерном) исполнении.

Происходит увеличение времени реакции системы управления на выявленный отказ одной из преобразовательных ячеек, что приводит в конечном итоге к повышенным пульсациям момента и частоты вращения на валу двигателя, особенно в нижней части диапазона регулирования, что снижает диапазон регулирования частоты вращения в аварийном двухфазном режиме по сравнению с электроприводом, выполненным с системой управления на жесткой логике.

Задачей изобретения является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя, выполненного с микроконтроллерной системой управления, при аварийном отключении одной из фаз путем сохранения кругового вращающегося поля с расширенным диапазоном регулирования частоты вращения.

Указанный технический результат достигают тем, что в способе обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, так же, как в прототипе, на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя, в случае обнаружения отказа в одной из фаз в системе управления вентильным двигателем изменяют задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение /3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки , определеляемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении = /2 в трехфазном режиме на угол нагрузки , определеляемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении = /6 в двухфазном режиме. Согласно изобретению используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов I ; значение текущего кода датчика положения ротора ; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора и значение углов и , затем выявляют значение битов по отказам фаз а, b, с и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a b с, где - логическая операция ИЛИ, и в результате формируют задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям или для опережающей фазы вектора тока:

или для отстающей фазы вектора тока:

Поставленная задача достигается тем, что в способе, так же, как в прототипе, при переключении из трехфазного в аварийный двухфазный режим происходит изменение порядка чередования тока в фазах из-за изменения угла с 2 /3 на /3. Из фиг.1 видно, что при отказе в любой из фаз происходит изменение порядка чередования фаз. Как видно из фиг.1, в случае отказа в одной из фаз существует две возможные комбинации изменения положения векторов тока: в отстающей либо в опережающей фазе. Получение временного сдвига токов обмоток трехфазной электрической машины на угол = /3 может быть обеспечено выполнением следующего правила: в случае отказа в одной из фаз угол (фиг.1) между векторами токов (напряжений) в двух оставшихся фазах определяется углом =2 /3 и для формирования временного сдвига токов = /3 необходимо осуществить фазовый сдвиг формируемых сигналов управления на угол, равный , отстающей (или опережающей) фазы относительно фазы, где произошел отказ, при этом опережающая (отстающая) фаза не меняет фазового сдвига. Известно, что изменение порядка чередования фаз в трехфазном двигателе переменного тока обязательно приводит к реверсу направления вращения вала двигателя. В заявляемом способе учтен этот факт и произведено реверсирование кода датчика положения, который используется при формировании позиционной модуляции вентильного двигателя. В результате двойного изменения порядка чередования токов в фазах обеспечивается неизменность направления вращения вала двигателя.

На фиг.1 представлены векторные диаграммы токов фаз в аварийном двухфазном режиме.

На фиг.2 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления, позволяющая реализовать программное управление всеми режимами вентильного двигателя.

На фиг.3 представлены временные диаграммы переходных процессов в рабочем 3-фазном и аварийном 2-фазном режиме работы, где а - для неконтролируемой аварийной ситуации, б - при активизированном алгоритме восстановления.

Предложенный способ осуществлен с помощью следующей схемы, изображенной на фиг.2, где синхронная машина 1 (CM) через датчики тока 2 (ДТ1) 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) подключена к преобразовательным ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2) и 7 (ПЯ3), к которым подключен блок диагностики 8 (БД), связанный с микроконтроллером 9 (МК).

Выходы датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) подключены к микроконтроллеру 9 (МК). На валу синхронной машины 1 (CM) установлен датчик положения 10 (ДП), выход которого подключен к микроконтроллеру 9 (МК). Задатчик частоты вращения двигателя 11 (ЗЧВ) подключен к микроконтроллеру 9 (ЗЧВ). Кроме того, микроконтроллер связан с преобразовательными ячейками 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3).

В качестве синхронной машины 1 (CM) может использоваться любая трехфазная синхронная машина. В качестве датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, например модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Датчик положения 10 (ДП) реализован в виде датчика положения, обеспечивающего позиционную модуляцию вентильного двигателя, например типа BE - 178А. Микроконтроллер 9 (МК) использован серийно выпускаемый. В качестве преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3) преобразователя частоты использован инвертор, выполненный по мостовой или полумостовой схеме. Задатчик частоты вращения 11 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания. Вариант исполнения блока диагностики 8 (БД) описан в [Однокопылов Г.И. Датчик состояния преобразовательной ячейки// IV Международная научно-техническая конференция «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ 2004. - 70 с.]

Для проверки обеспечения живучести использовали трехфазные синхронные машины ДБМ - 120, ДСТ - 180. Входной величиной электропривода является сигнал с задатчика частоты вращения 11 (ЗЧВ). Из блока датчика положения ротора 10 (ДП) поступает в микроконтроллер 9 (МК) сигнал углового положения вала синхронной машины 1 (CM), по которому микроконтроллер 9 (МК) вырабатывает задания для каждой фазы, поступающие в преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3). Блок диагностики 8 (БД) анализирует состояние преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и вырабатывает три бита отказа а, b, с, составляющих слово состояния электропривода, поступающее в микроконтроллер 9 (МК). По значениям сигналов с выходов датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) в микроконтроллере 9 (МК) корректируют мгновенные значения фазных токов синхронной машины 1 (CM) в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям или для опережающей фазы вектора тока:

или для отстающей фазы вектора тока:

значение амплитуды формируемых фазных токов, А;

- число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора;

d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a b с ( - логическая операция ИЛИ), если d=1 - есть отказ в одной из фаз;

- инверсные значения а, b, с, d.

Из временных диаграмм переходных процессов (Фиг.3а) при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы видно, что скорость вентильного двигателя падает практически в 2 раза при неконтролируемой аварийной ситуации. Кроме того, момент двигателя после окончания переходных процессов упал практически в 3 раза, т.е. вентильный двигатель не поддерживает свойство живучести. При активизированном алгоритме восстановления (Фиг.3б) падение частоты вращения и вращающего момента составляет не более 10% и с сохранением направления вращения вала двигателя. То есть применение предложенного способа обеспечивает живучесть трехфазного вентильного двигателя.

Предложенное техническое решение позволяет обеспечить 100% вероятность пуска в заданном направлении, обеспечивает возможность работы с синусоидальной формой тока и в случае отказа в одной из фаз позволяет обеспечить сохранение кругового вращающегося поля с расширенным диапазоном регулирования, с сохранением направления вращения и уменьшением времени реакции микропроцессорной системы управления при переключении алгоритма восстановления из трехфазного в двухфазный режим, равным времени интервала широтно-импульсной модуляции при отсутствии дополнительных аппаратных затрат для поддержки алгоритма восстановления работоспособности.