УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ДВИГАТЕЛЯ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02H7/08 H02H7/12 H02H7/122 H02P27/05 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемому трехфазному электроприводу, выполненному на основе надсинхронного вентильного каскада, асинхронного вентильного каскада или двигателя двойного питания с обеспечением свойства живучести при отказах преобразователя частоты, питающего роторные обмотки.

Известен асинхронный электропривод со свойством живучести (патент РФ на полезную модель №67354, МПК⁶ H02P 5/00, опубл. 10.10.2007), содержащий трехфазный асинхронный двигатель, каждая фаза которого через датчики тока подключена к соответствующей преобразовательной ячейке трехфазного преобразователя частоты, задатчик частоты вращения, блок диагностики, который связан с преобразовательными ячейками и с микроконтроллером, который подключен к датчику скорости, к задатчику частоты вращения, к трем датчикам тока и к преобразовательным ячейкам.

Асинхронный электропривод может быть применен для обеспечения живучести асинхронного двигателя с фазным ротором с сохранением кругового вращающегося поля в аварийном двухфазном режиме.

Недостатком этого технического решения является невозможность восстановления работоспособности электропривода, выполненного на основе двигателя двойного питания, при аварийном отказе одного из ключей преобразователя частоты, питающего роторные обмотки, кроме того, при отказах ключей типа «невыключение» невозможно восстановить работоспособность преобразователя частоты.

Известно устройство для регулирования частоты вращения двигателя двойного питания (патент РФ №2076450, МПК⁶ H02P7/36, H02P7/63, опубл. 27.03.1997), выбранное в качестве прототипа, содержащее преобразователь частоты, состоящий из регулируемого выпрямителя, силовой вход которого подключен через согласующий трансформатор к питающей сети, а управляющий вход - к задатчику напряжения, и инвертора, силовой вход которого подключен к выходу выпрямителя, а силовой выход - к обмоткам ротора двигателя, обмотки статора которого предназначены для подключения к питающей сети. К управляющему входу инвертора подключен выход формирователя импульсов, выполненного в виде динистров шести оптопар, светодиоды которых собраны в трехфазный мост, к выходу которого подключен резистор. Катушка реверсирующего контактора подключена к питающей сети через замыкающий контакт центробежного реле, установленного на одном валу с двигателем. Основные переключающие контакты реверсирующего контактора включены в две фазы статорной обмотки двигателя двойного питания, а первые вспомогательные переключающие контакты упомянутого контактора включены в цепи между двумя фазными обмотками ротора двигателя и двумя первичными обмотками фазосдвигающего на угол 150^o трансформатора, собранного по схеме звезда зигзаг. Вторые вспомогательные переключающие контакты контактора включены в цепи между двумя вторичными обмотками трехфазного фазосдвигающего трансформатора и двумя входами трехфазного светодиодного моста. Третья первичная обмотка фазосдвигающего трансформатора подключена непосредственно к третьей обмотке ротора двигателя, а третья вторичная обмотка непосредственно к третьему входу светодиодного моста.

Недостатком этого технического решения является невозможность восстановления работоспособности электропривода при аварийном отказе одного из тирмсторов преобразователя частоты питающего роторные обмотки, кроме того, при отказах тиристоров типа «невыключение» невозможно восстановить работоспособность преобразователя частоты.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение живучести электропривода, выполненного на основе двигателя двойного питания, при аварийных отказах полумоста роторного преобразователя или/и сетевого преобразователя с отказами типа «невыключение» или «невключение» тиристора.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство управления и обеспечения живучести двигателя двойного питания содержит асинхронный двигатель, статорные обмотки которого подключены к сети переменного тока, преобразователь частоты, состоящий из регулируемого выпрямителя и инвертора, и трехфазный трансформатор, подключенный к сети переменного тока.

В отличие от прототипа в качестве выпрямителя выбран сетевой тиристорный преобразователь, а в качестве инвертора использован роторный тиристорный преобразователь, выполненные по мостовой трехфазной схеме. При этом каждый полумост роторного тиристорного преобразователя подключен через соответствующий датчик тока к соответствующей роторной обмотке асинхронного двигателя и через соответствующий защитный элемент к аноду первого и к катоду второго тиристоров первого резервного полумоста. Катод первого и анод второго тиристоров образуют общую точку, к которой первыми силовыми выводами подключены три симистора первого резервного полумоста, вторые силовые выводы которых подключены к указанным датчикам тока. Каждый полумост сетевого тиристорного преобразователя подключен через свой датчик тока к соответствующей вторичной обмотке трехфазного трансформатора и через соответствующий защитный элемент к аноду первого и к катоду второго тиристоров второго резервного полумоста. Катод первого и анод второго тиристоров образуют общую точку, к которой первыми силовыми выводами подключены три симистора второго резервного полумоста, вторые силовые выводы которых подключены к этим датчикам тока. Катод первого тиристора первого резервного полумоста подключен к аноду первого тиристора второго резервного полумоста, а анод второго тиристора первого резервного полумоста через дроссель подключен к катоду второго тиристора второго резервного полумоста. Все защитные элементы подключены к общей точке вторичной обмотки трансформатора, все датчики тока, защитные элементы и задатчик частоты вращения подключены к микроконтроллеру, который подключен ко всем тиристорам и симисторам, при этом все защитные элементы одинаковы.

Каждый защитный элемент содержит две плавкие вставки, которые включены между выводами каждого полумоста и выводами соответствующего резервного полумоста. Катод первого и анод второго коротящего тиристора подключены к соответствующему полумосту соответствующего тиристорного преобразователя, а анод первого и катод второго коротящего тиристора подключены к общей точке трехфазного трансформатора. Аноды и управляющие электроды коротящих тиристоров подключены к микроконтроллеру.

Следует отметить, что при отказе одного из тиристоров сетевого или роторного тиристорного преобразователя возможны отказы двух типов: «невыключение» или «невключение» тиристоров.

Отказ типа «невыключение» одного из тиристоров роторного тиристорного преобразователя приведет к намагничиванию постоянным током ротора асинхронного двигателя, появлению электромагнитного тормозного момента и перегреву асинхронного двигателя, отказ типа «невключение» одного из тиристоров сетевого тиристорного преобразователя приведет к однополупериодному питанию соответствующей роторной обмотки и появлению электромагнитного тормозного момента и перегреву асинхронного двигателя. В результате асинхронный двигатель достигает предельного состояния работоспособности с последующим разрушением.

Таким образом, отказ одного из тиристоров сетевого или роторного тиристорного преобразователя приводит к неработоспособности электропривода.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в том, что в предложенном техническом решении восстановление работоспособности осуществляют следующим образом:

1. Осуществляют диагностику отказа соответствующего полумоста роторного тиристорного преобразователя или/и сетевого тиристорного преобразователя на основе данных, полученных с датчиков тока. Диагностику производят в программе микроконтроллера и формируют соответствующий бит отказа.

2. Одновременно подают управление отказавшего полумоста на резервный полумост роторного тиристорного преобразователя или/и сетевого тиристорного преобразователя. Формируют управление симистором и защитным элементом соответствующие отказавшему полумосту роторного тиристорного преобразователя или/и сетевого тиристорного преобразователя.

В результате происходит блокировка отказавшего полумоста роторного или/и сетевого тиристорного преобразователя и за счет подключения резервного полумоста - полное восстановление функционирования электропривода.

Это позволяет при нулевых колебаниях частоты вращения для отказа типа «невключение» тиристоров и незначительных колебаниях частоты вращения для отказа типа «невыключение» тиристоров восстановить функционирование электропривода и избежать потери работоспособности и разрушения электропривода, выполненного на основе двигателя двойного питания, по сравнению со случаем реализации схемы прототипа и тем самым обеспечить свойство живучести электропривода.

На фиг. 1 изображена схема двигателя двойного питания с обеспечением свойства живучести.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема защитного элемента.

Устройство управления и обеспечения живучести двигателя двойного питания (фиг. 1) содержит асинхронный двигатель 1, статорные обмотки которого подключены к сети переменного тока, а роторные обмотки через датчики тока 2, 3 и 4 подключены к роторному тиристорному преобразователю 5 (РТП) и к резервному полумосту 6 (Р1).

Резервный полумост 6 (Р1) состоит из трех симисторов 7-9, включенных в цепь трехфазного переменного тока ротора и двух резервных тиристоров 10 и 11, включенных в цепь постоянного тока, причем тиристор 11 подключен катодом к клемме 12, а тиристор 10 подключен анодом к клемме 13.

Роторный тиристорный преобразователь 5 (РТП) выполнен по мостовой трехфазной схеме с помощью тиристоров 14-19. Каждый полумост тиристорного преобразователя 5 (РТП) через соответствующие защитные элементы 20 (ЗЭ1), 21 (ЗЭ2) и 22 (ЗЭ3) подключен в цепь постоянного тока (клеммы 12 и 13).

Первичная обмотка трехфазного трансформатора 23 подключена к трехфазной сети переменного тока, а вторичная обмотка через датчики тока 24, 25 и 26 подключена к сетевому тиристорному преобразователю 27 (СТП) и к второму резервному полумосту 28 (Р2). Резервный полумост 28 (Р2) состоит из трех симисторов 29-31, включенных в цепь трехфазного переменного тока вторичной обмотки трансформатора 23 и двух резервных тиристоров 32 и 33, подключенных к цепи постоянного тока, причем тиристор 32 подключен анодом к клемме 12, а тиристор 33 подключен катодом через дроссель 34 к клемме 13.

Сетевой тиристорный преобразователь 27 (СТП) выполнен по мостовой трехфазной схеме с помощью тиристоров 35-40. Каждый полумост сетевого тиристорного преобразователя 27 (СТП) через соответствующие защитные элементы 41 (ЗЭ4), 42 (ЗЭ5) и 43 (ЗЭ6) подключено в цепь постоянного тока. Все защитные элементы 20 (ЗЭ1), 21 (ЗЭ2), 22 (ЗЭ3), 41 (ЗЭ4), 42 (ЗЭ5) и 43 (ЗЭ6) подключены к общей точке вторичной обмотки трансформатора 23.

Выходы датчиков тока 2-4 и 24-26 подключены к микроконтроллеру 44 (МК), к которому подключен также задатчик частоты вращения 45 (ЗЧВ). Микроконтроллер 44 (МК) подключен ко всем тиристорам: 10, 11, 14-19, 32, 33, 35-40 и симисторам: 7-9, 29-31.

Защитные элементы 21 (ЗЭ2), 22 (ЗЭ3), 41 (ЗЭ4), 42 (ЗЭ5), 43 (ЗЭ6) одинаковы. Роторный тиристорный преобразователь 5 (РТП) одним концом подключен к катоду коротящего тиристора 46 (защитного элемента 20 (ЗЭ1), фиг. 2) и через плавкую вставку 47 к клемме постоянного тока 12. Другим концом роторный тиристорный преобразователь 5 (РТП) подключен к аноду тиристора 48 и через плавкую вставку 49 к клемме постоянного тока 13. Общая точка вторичной обмотки трехфазного трансформатора 23 подключена к аноду тиристора 46 и к катоду тиристора 48. Аноды и управляющие электроды тиристоров 46 и 48 подключены к микроконтроллеру 44 (МК).

Обеспечение живучести двигателя двойного питания осуществляется следующим образом. На обмотку статора асинхронного двигателя 1 подают напряжение постоянной амплитуды и частоты, а на обмотку ротора через трехфазный трансформатор 23, сетевой тиристорный преобразователь 2 и роторный тиристорный преобразователь 5 (РТП) - регулируемое трехфазное напряжение, направленное встречно ЭДС обмотки ротора и превышающее его по величине. Определяют моменты коммутации тиристоров 14 - 19 роторного тиристорного преобразователя 5 (РТП) и, коммутируя эти тиристоры с помощью микроконтроллера 44 (МК), устанавливают заданную частоту вращения асинхронного двигателя 1. Регулирование частоты вращения осуществляют изменением величины подведенного к обмотке ротора напряжения путем изменения сигнала задатчика частоты вращения 45 (ЗЧВ). С помощью датчиков тока 2-4 и 24-26 диагностируют отказ полумоста роторного 5 (РТП) или/и сетевого тиристорного преобразователя 27 (СТП) и формируют в микроконтроллере 44 (МК) соответствующий бит отказа. В случае обнаружения отказа одного из полумостов включают выявленным битом отказа соответствующий защитный элемент отказавшего полумоста роторного 5 (РТП) или/и сетевого тиристорного преобразователя 27 (СТП). При включении тиристоров 46 и 48 на короткое время, плавкие вставки 47 и 49 перегорают и поступление напряжения на отказавший полумост прекращается. Далее управление подают на резервный полумост 6 (Р1), в случае отказа полумоста роторного тиристорного преобразователя 5 (РТП), и на второй резервный полумост 28 (Р2) - в случае отказа полумоста сетевого тиристорного преобразователя 27 (СТП). В случае отказа полумоста роторного тиристорного преобразователя 5 (РТП) резервный полумост 6 (Р1) подключают через симисторы 7 - 9 к соответствующим фазам питающего напряжения ротора асинхронного двигателя 1. В случае отказа полумоста сетевого тиристорного преобразователя 27 (СТП) второй резервный полумост 28 (Р2) через симисторы 35 - 40 подключают к соответствующей фазе вторичной обмотки трансформатора 23. Управление на соответствующие симисторы формируют по логической функции ИЛИ для тиристоров отказавшего полумоста, при этом подачу управляющих сигналов из микроконтроллера 44 в соответствующие защитные элементы 20 - 22 и 41 - 43, резервные полумосты 6 (Р1) и 28 (Р2) и симисторы 7-9 и 29 - 31 подают одновременно, и тем самым минимизируют время восстановления.

В результате предотвращается аварийная ситуация при отказах электропривода типа: «невыключение» или «невключение» тиристоров роторного или/и сетевого тиристорного преобразователя с обеспечением живучести двигателя двойного питания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом трехфазном электроприводе, выполненном на основе надсинхронного вентильного каскада, асинхронного вентильного каскада или двигателя двойного питания. Технический результат: обеспечение живучести электропривода, выполненного на основе двигателя двойного питания при аварийных отказах полумоста роторного преобразователя или/и сетевого преобразователя с отказами типа «невыключение» или «невключение» тиристора. Устройство управления и обеспечения живучести двигателя двойного питания содержит асинхронный двигатель, преобразователь частоты, состоящий из регулируемого выпрямителя и инвертора, трехфазный трансформатор. Выпрямитель выполнен как сетевой тиристорный преобразователь, а инвертор - как роторный тиристорный преобразователь, выполненные по мостовой трехфазной схеме. Устройство дополнительно содержит датчики тока, защитные элементы, два резервных полумоста, каждый из которых составлен из трех симисторов и двух резервных тиристоров, и микроконтроллер, который подключен ко всем тиристорам и симисторам. Упомянутые элементы соединены так, как указано в материалах заявки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство управления и обеспечения живучести двигателя двойного питания, содержащее асинхронный двигатель, статорные обмотки которого подключены к сети переменного тока, преобразователь частоты, состоящий из регулируемого выпрямителя и инвертора, трехфазный трансформатор подключен к сети переменного тока, отличающееся тем, что в качестве выпрямителя выбран сетевой тиристорный преобразователь, а в качестве инвертора использован роторный тиристорный преобразователь, выполненные по мостовой трехфазной схеме, при этом каждый полумост роторного тиристорного преобразователя подключен через соответствующий датчик тока к соответствующей роторной обмотке асинхронного двигателя и через соответствующий защитный элемент к аноду первого и к катоду второго тиристоров первого резервного полумоста, причем катод первого и анод второго тиристоров образуют общую точку, к которой первыми силовыми выводами подключены три симистора первого резервного полумоста, вторые силовые выводы которых подключены к указанным датчикам тока, а каждый полумост сетевого тиристорного преобразователя подключен через свой датчик тока к соответствующей вторичной обмотке трехфазного трансформатора и через соответствующий защитный элемент к аноду первого и к катоду второго тиристоров второго резервного полумоста, причем катод первого и анод второго тиристоров образуют общую точку, к которой первыми силовыми выводами подключены три симистора второго резервного полумоста, вторые силовые выводы которых подключены к этим датчикам тока, катод первого тиристора первого резервного полумоста подключен к аноду первого тиристора второго резервного полумоста, а анод второго тиристора первого резервного полумоста через дроссель подключен к катоду второго тиристора второго резервного полумоста, все защитные элементы подключены к общей точке вторичной обмотки трансформатора, все датчики тока, защитные элементы и задатчик частоты вращения подключены к микроконтроллеру, который подключен ко всем тиристорам и симисторам, при этом все защитные элементы одинаковы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый защитный элемент содержит две плавкие вставки, которые включены между выводами каждого полумоста и выводами соответствующего резервного полумоста, катод первого и анод второго коротящего тиристора подключены к соответствующему полумосту соответствующего тиристорного преобразователя, а анод первого и катод второго коротящего тиристора подключены к общей точке трехфазного трансформатора, аноды и управляющие электроды коротящих тиристоров подключены к микроконтроллеру.