СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ТРЕХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ЯВНОПОЛЮСНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2011 года по МПК H02P6/12 H02P6/16 

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

Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (А.с. СССР №1746482, МКИ³ H02P 7/42, опубл. в БИ №25, 1992), 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 π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме, с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным π/6 в двухфазном режиме.

Недостатками этого технического решения являются: 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, кроме того, для явнополюсного синхронного двигателя из-за смещения максимумов момента угловой характеристики при переключении в двухфазный режим не обеспечивается необходимый электромагнитный момент.

Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (Патент РФ №2311721, МПК7 H02P 6/12, H02P 6/16, Н02К 29/06, опубл. 27.11.2007 г., Бюл. №33), 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 π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме, с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным π/6 в двухфазном режиме. Используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов I_ω; значение текущего кода датчика положения ротора α; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора σ и значение углов θ и ψ, затем выявляют значение битов по отказам фаз a, b, c 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:

;

;

.

Недостатком этого технического решения является: невозможность использования в составе трехфазного вентильного двигателя явнополюсной синхронной машины, потому что из-за смещения максимумов момента угловой характеристики при переключении в аварийный двухфазный режим не обеспечивается необходимый для работы электромагнитный момент.

Задачей изобретения является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины при аварийном отключении одной из фаз.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины, так же, как в прототипе, на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя в виде битов по отказам фаз a, b, c и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ и, 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 π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки θ, определяемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=π/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ_A, определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ_A=π/6 в двухфазном режиме, задают амплитуду формируемых фазных токов I_ω; определяют значение текущего σ-разрядного двоичного кода датчика положения ротора α.

Согласно изобретению предварительно определяют значение угла коррекции φ_K угловой характеристики для смещения угловой характеристики относительно максимума момента определенного для трехфазного режима работы, при котором обеспечивается максимум электромагнитного момента в двухфазном режиме работы явнополюсной синхронной машины, для чего измеряют электромагнитные моменты вентильного двигателя M₀, …, M_i, M_i+1, где i=1, 2, …n, задавая пошаговое увеличение угла φ_Ki от 0 с шагом , где n - количество шагов на полупериоде угловой характеристики, сравнивают последующее M_i+1 и предыдущее M_i значения электромагнитного момента, при выполнении условия M_i+1<M_i определяют угол коррекции как φ_Ki соответствующий значению максимального момента M_i, а задания на фазные токи формируют в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям:

или для опережающей фазы вектора тока:

;

;

;

или для отстающей фазы вектора тока:

;

;

.

В заявляемом способе, в отличие от прототипа, при переключении из трехфазного в аварийный двухфазный режим вводят угол коррекции φ_K угловой характеристики. Как видно из фиг.1, максимум относительного момента в трехфазном режиме при значении угла θ=4π/12 обеспечивает 100% электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины. В аварийном двухфазном режиме при значении угла 4π/12 значение электромагнитного момента падает в 8 раз, то есть ниже уровня статического момента, в результате двигатель останавливается и способ обеспечения живучести, указанный в прототипе, не работает. Однако, если сместить рабочую точку на угловой характеристике на π/4, обеспечивая максимум электромагнитного момента в аварийном двухфазном режиме, то значение электромагнитного момента падает на 10%.

На фиг.1 представлены угловые характеристики вентильного двигателя в трехфазном и 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 в аварийном 2-фазном режимах работы без учета угла коррекции φ_K угловой характеристики, а на фиг.4 - с учетом угла коррекции φ_K.

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 явнополюсная 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) 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 трехфазную явнополюсную синхронную машину ДСТ-180. Предварительно был определен угол коррекции φ_K угловой характеристики вентильного двигателя для смещения угловой характеристики относительно максимума момента, определенного для трехфазного режима работы, при котором обеспечивается максимум электромагнитного момента в двухфазном режиме работы явнополюсной синхронной машины. Для этого измерили электромагнитные моменты вентильного двигателя в аварийном режиме M₀, …, M_i, M_i+1, где i=1, 2, …n, задавая пошаговое увеличение угла φ_Ki от 0 с шагом , где n=12 - количество шагов на полупериоде угловой характеристики. Сравнили последующее M_i+1 и предыдущее M_i значения электромагнитного момента, при выполнении условия M_i+1<M_i на третьем шаге определили угол коррекции как (фиг.1), соответствующий значению максимального момента M_i=M₃. При работе электропривода входной величиной является сигнал с задатчика частоты вращения 11 (ЗЧВ). Из блока датчика положения ротора 10 (ДП) поступает в микроконтроллер 9 (МК) сигнал α 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 a, b, c, 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:

для опережающей фазы вектора тока:

;

;

;

или для отстающей фазы вектора тока:

;

;

.

где I_φ - значение амплитуды формируемых фазных токов, А;

σ - число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора;

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

Из временных диаграмм переходных процессов (Фиг.3) при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы видно, что момент вентильного двигателя падает практически в 10 раз при аварийной ситуации без учета угла коррекции φ_K угловой характеристики, т.е. вентильный двигатель не поддерживает свойство живучести. При учете угла коррекции φ_K угловой характеристики (Фиг.4) падение частоты вращения и вращающего момента составляет не более 10%. То есть использование предложенного способа обеспечивает живучесть трехфазного вентильного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в широко регулируемых вентильных двигателях. Техническим результатом является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины. В способе обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины сначала определяют значение угла коррекции φ_K угловой характеристики для смещения угловой характеристики относительно максимума момента, определенного для трехфазного режима работы, при котором обеспечивается максимум электромагнитного момента в двухфазном режиме работы явнополюсной синхронной машины. Значение угла φ_K предварительно определяют, задавая пошаговое увеличение угла φ_Ki от 0 с шагом , где n - количество шагов на полупериоде угловой характеристики, измеряют соответствующие электромагнитные моменты вентильного двигателя М₀, …, M_i, M_i+1, где i=1, 2, … n, сравнивают последующее M_i+1 и предыдущее M_i значения электромагнитного момента. При выполнении условия M_i+1<M_i определяют угол коррекции как φ_Ki, соответствующий значению максимального момента M_i. Затем на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя в виде битов по отказам фаз а, b, с и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ и, 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 р/3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки θ, определеляемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=р/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ_A, определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ_A=р/6 в двухфазном режиме, задают амплитуду формируемых фазных токов I_ω; определяют значение текущего σ-разрядного двоичного кода датчика положения ротора α, а задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз формируют по выражениям для опережающей и отстающей фазам вектора тока по формулам, указанным в материалах заявки. 4 ил.

Способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины, заключающийся в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя в виде битов по отказам фаз а, b, с и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ и 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 π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки θ, определяемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=π/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ_A, определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ_A=π/6 в двухфазном режиме, задают амплитуду формируемых фазных токов I_ω; определяют значение текущего σ-разрядного двоичного кода датчика положения ротора α, отличающийся тем, что предварительно определяют значение угла коррекции φ_K угловой характеристики, для чего измеряют электромагнитные моменты вентильного двигателя М₀, …, M_i, M_i+1, задавая пошаговое увеличение угла φ_Ki от 0 с шагом , где n - количество шагов на полупериоде угловой характеристики, где i=1, 2, … n, сравнивают последующее M_i+1 и предыдущее M_i значения электромагнитного момента, при выполнении условия M_i+1<M_i определяют угол коррекции как φ_Ki, соответствующий значению максимального момента M_i, а задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз формируют по выражениям для опережающей фазы вектора тока:
;
;
;
а для отстающей фазы вектора тока:
;
;
.