Вентильный электропривод Советский патент 1992 года по МПК H02K29/06 H02P6/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может найти применение в установках и приборах, требующих повышенной надежности рабо- -ты при аварийном отключении одной из фаз трехфазного преобразователя частоты путем сохранения кругового вращающего поля, снижения потребления реактивной мощности,

Вентильный электропривод позволяет формировать круговое вращающееся поле в трехфазном режиме работы преобразователя частоты, выполненного с развязанными фазами.

Известен вентильный электропривод, содержащий электрическую машину с индуктором и m-секционную обмотку якоря, преобразователь частоты с управляемыми ключами и диодами обратного моста, блок формирования сигналов управления, 2т триггера Шмитта, блок запрета с 2т управляющими входами, вентильный электропривод позволяет повысить надежность работы при неисправности типа: обрыв диода обратного моста в преобразователе частоты, выполненного по схеме со связанными фазами путем устранения перенапряжений на транзисторе за счет изменения алгоритма работы ключей.

Недостаток электропривода в невозможности снижения потребляемой активной мощности в аварийном режиме работы электропривода.

Известно устройство для управления вентильным электродвигателем с трехфазным преобразователем частоты для реализации способа, содержащее синхронную машину, преобразователь частоты, источник питания, датчик положения ротора, та- хометрическое устройство, переключатель реверса, управляемый контактор и три вспомогательных источника питания.

Устройство для управления вентильным электродвигателем позволяет осуществить пуск вентильного электродвигателя в аварийной ситуации при отказе, эквивалентном неисправности типа: обрыв ключа преобразователя частоты из положения мертвой точки индуктора, при которых вентильный электродвигатель не развивает пускового момента.

Недостатком электропривода является неудовлетворительная вероятность пуска вентильного электродвигателя 0,95 при неисправности типа: обрыв ключа преобразователя, а также отсутствие возможности снижения потребляемой реактивной мощности в аварийном режиме работы электропривода.

Известно устройство управления вентильным электродвигателем для реализации способа, содержащее вентильный электродвигатель с (т 3)-фазными обмотками якоря, m-фазный преобразователь частоты, выполненный с анодной и катодной группами ключей, датчик положения ротора, блок формирования сигналов управления, датчик потребляемого тока, блок

выявления аварийной ситуации в группе ключей преобразователя, дешифратор двоичного кода в двоично-десятичный, два блока изменения алгоритма управления.

Устройство позволяет повысить надежность работы и улучшить энергетические характеристики вентильного электродвигателя при неисправности типа: обрыв в цепи обмотки якоря за счет того, что в каждый коммутационный момент времени при отсутствии потребляемого тока повторно включают отключаемый 1-й ключ на длительность 1р/2, по истечении которого 1-й ключ отключают и включают (I + 2)-йключ, принадлежащий той же группе ключей, например,

анодной на длительность /2, после чего последовательность подключения и отключения фаз обмотки якоря восстанавливают. Недостатком устройства является невозможность снижения потребляемой реактивной мощности в аварийном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является вентильный электропривод, содержащий трехфазный (т 3) синхронный электродвигатель, якорная

обмотка которого подключена к выходам трехфазного преобразователя частоты с блоком формирования сигналов управления с фазным сдвигом, основные входы управления трехфазного преобразователя подключены к выходам трехканального регулятора тока, три первых входа которого подключены к выходам трехканального умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов, основной.

вход которого подключен к выходу датчика положения ротора, а умножающий вход связан с задатчиком скорости, при этом три вторых входа трехканального регулятора тока подключены к выходам соответствующих

датчиков тока, включенных в цепи якорной обмотки трехфазного синхронного электродвигателя.

Целью изобретения является повышение надежности путем сохранения кругового вращающегося поля и снижение потребления реактивной мощности при аварийном отключении одной из фаз трехфазного преобразователя частоты вентильного электропривода.

Вентильный электропривод содержит трехфазный синхронный электродвигатель, якорная обмотка которого подключена к выходам трехфазного преобразователя частоты с блоком формирования сигналов управления с фазовым сдвигом, основные входы управления преобразователя подключены к выходам трехканального регулятора тока, первые входы каждого канала которого - к выходам трехканального умно- жающегося цифроаналогового формирователя гармонических сигналов, основной вход которого подключен к выходу датчика положения ротора, а умножающий вход связан с задатчиком скорости, при этом три вторых входа трехканального регулятора тока подключены к выходам соответствующих датчиков тока, включенных в цепи якорной обмотки трехфазного синхронного электродвигателя.

В вентильный электропривод введены датчики состояния фаз, сумматор, мультиплексор и дешифратор, зависимость выход- ных сигналов от входных которого представлена в табл. 1, при этом каждый из датчиков состояния фаз потенциальным входом и выходом включен между одной из клемм источника постоянного напряжения и энергетическим входом соответствующей фазы трехфазного преобразователя часто- ты, другие энергетические входы которого подключены к другой клемме источника постоянного напряжения электропривода, информационные выходы первого, второго, третьего датчиков состояния фаз подключе- ны соответственно к первому, второму и третьему входам дешифратора, первый выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора, первый вход которого через сумматор подключен к выходу дат- чика положения ротора, соединенному с вторым входом мультиплексора, выход которого подключен к информационным входам трехканального умножающего цифроаналогового формирователя гармо- нических сигналов, дополнительные входы первого, второго и третьего каналов которого подключены соответственно к третьему, четвертому и второму выходам дешифратора, второй вход сумматора образует вход электропривода, выходы датчиков тока подключены к токовым входам соответствующих датчиков состояния фаз.

На фиг. 1 представлена Структурная схема вентильного электропривода; на фиг. 2 - векторная диаграмма синхронного электропривода в режиме обрыва фазы В; на фиг. 3 - функциональная схема варианта датчика состояния фазы; на фиг. 4 - функциональная схема варианта одноканального

умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов.

Параметры, представленные на диаграмме фиг. 2,:

-ЁА, -Ев, -Ее - обратные вектора ЭДС фаз А, В, С соответственно;

UA. Ос - вектора фазных напряжений;

ГА, Гс - вектора фазных токов:

г - активное сопротивление цепи фазной обмотки;

Xs - индуктивное сопротивление рассеяния;

Xm сопротивление, обусловленное взаимоиндукцией между фазными обмотками;

Хя - индуктивное сопротивление реакции якоря;

QA, Ос - углы между обратными векторами ЭДС и векторами напряжений фаз А, С соответственно;

А. рс - углы между векторами напряжений и токов фаз А, С соответственно;

д - угол между обратным вектором ЭДС и вектором тока фазы А;

ON - ось начала отсчета углов а и у ;

а - угол между осью ON и вектором фазного напряжения U-A;

у - угол между осью ON и вектором фазного тока д.

- Вентильный электропривод (фиг. 1) содержит трехфазный синхронный электродвигатель 1. якорная обмотка которого подключена к выходам трехфазного преобразователя 2 частоты с блоком формирования сигналов управления с фазовым сдвигом, основные входы управления преобразователя 2 подключены к выходам трехканального регулятора 3 тока, первые входы каждого канала которого подключены к вц- ходам трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов, основной вход которого подключен к выходу датчика 5 положения ротора, а умножающий вход связан с задатчиком 6 скорости, при этом три вторых входа трехканального регулятора 3 тока подключены к выходам соответствующих датчиков 7-9 тока, включенных в цепи якорной обмотки трехфазного синхронного электродвигателя 1, каждый из датчиков 10 - 12 состояния фаз потенциальным входом и выходом включен между одной из клемм 13 источника постоянного напряжения и энергетическим входом соответствующей фазы трехфазного преобразователя 2 частоты, другие энергетические входы которого подключены к другой клемме 14 источника постоянного напряжения электропривода, информационные входы первого 10, второго 11, третьего 12 датчиков состояния фаз подключены соответственно к первому 15, второму 16 и третьему 17 входам преобразователя 18 кода, первый выход 19 которого подключен к управляющему входу мультиплексора 20,0 первый вход которого через сумматор 21 подключен к выходу датчика 5 положения ротора, соединенному с вторым входом мультиплексора 20, выход которого подключен к информационным входам трехканального умножающего цифроанало- гового формирователя 4 гармонических сигналов, дополнительные входы первого, второго и третьего каналов которого подключены соответственно к третьему 22, четвертому 23 и второму 24 выходам преобразователя кода, второй вход сумматора 21 образует вход электропривода 25, выходы датчиков 7-9 тока, подключены к токовым входам соответствующих датчиков 10 - 12 состояния фаз,

Электропривод работает следующим образом.

В датчиках 10- 12 (фиг. 3) производится контроль неисправностей каждого из трех каналов преобразователя 2 частоты на обрыв фазной обмотки электродвигателя 1 и на превышение токопотребления канала преобразователя 2 частоты следующим образом: если ток Inorp, протекающий через потенциальные входы и выходы датчиков состояния фаз (фиг. 2) Потр lm + Е, где lm амплитудное значение тока с учетом кратности пускового момента, е - запас по току, определяемый временем срабатывания токовой отсечки по уровню lm, то срабатывает предохранитель 26 и напряжение питания преобразователя частоты оказывается приложенным к входу оптронного переключателя 27 и последовательно включенному резистору, единичный логический уровень с выхода оптронного переключателя 27 через элемент ИЛИ 36 проходит на информационный выход датчика состояния фазы. Ток потр. создающий магнитное поле концентратора 28, обуславливает появление ЭДС на холловских выходах элемента Холла 29 (при протекании по токовым выводам элемента Холла 29 тока от источника 30 тока), которая через прецизионный выпрямитель на усилителе 31 поступает на сумматор-вычитатель 33 на усилителе, на другой вход которого приходит через токовый вход датчика 10 состояния фазы сигнал с датчика 7 тока в фазе электродвигателя 1, который через прецизионный выпрямитель на усилителе 32 поступает на вход сумматора-вычитателя 33, разностный сигнал с выхода которого поступает на вход компаратора 34, на другой вход которого поступает опорное напряжение с источника 35, которое может быть рано из условия срабатывания компаратора Inorp - фазн 1о, где 10 - ток утечки преобразователя частоты, обусловленный сквозным током, При срабатывании компаратора 34 единичный логический уровень через элемент ИЛИ 36 проходит на информационный выход датчика 10 состояния фазы.

Таким образом, результатом срабатывания одного из датчиков состояний фаз явля ется выдача единичного логического уровня на один из входов 15 - 17 преобразователя 18 кода. Если отсутствуют неисправности

первого или второго типов в одном из каналов преобразователя 2 частоты, то вентильный электропривод работает в трехфазном режиме. Работа вентильного электропривода в трехфазном режиме определяется первой строкой табл. 2 истинности преобразователя 18 кода:

Единичный логический уровень с выхода 19 поступает на управляющий вход мультиплексора 20, вследствие чего информация

об угле поворота вала а синхронного электродвигателя 1, представленная в двоичном коде, поступает с выхода датчика 5 положения ротора через мультиплексор 20 на основные входы трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов.

Единичные логические уровни с выходов 24, 22 и 23 поступают на дополнительные входы трехканального умножающего

цифроаналогового формирователя гармонических сигналов 4, что определяет формирование на выходе сигналов д, IB, ic в соответствии с выражением IA-IW E(2m-1) -sin

iB lw-E(2m-1) -sin (« + 120°); (1)

ic lwE(2m-1) -sin(a + 240°); где и- аналогичный сигнал с выхода эадат- чика 6 скорости;

m - число разрядов двоичного кода, определяющего точность формирования гармонического сигнала; Е - функция Антье.

Выходные сигналы в соответствии с выражением (1) через трехканальный регулятор 3 тока с учетом обратной связи датчиков 7-9 тока поступают в трехканальный преобразователь 2 частоты, формирующий круговое вращающееся поле с обмотках синхронного электродвигателя 1.

В случае срабатывания одного из датчиков 10 - 12 состояния фаз, на выходах 19, 24, 22 и 23 преобразователя 18 кода установится управляющее слово в соответствии с 2. 3, 4 строками таблицы истинности преобразователя 18 кода, что означает отказ в одной из фаз А, В, С соответственно, вращающееся поле в электродвигателе становится эЛиптическим.

Для организации двухфазного режима работы трехфазного вентильного электропривода с восстановлением кругового вращающегося поля необходимо обеспечить равенство амплитудных значений токов в оставшихся двух фазах, что осуществляется трехканальным регулятором 3 тока, обеспечит угол временного сдвига токов обмоток трехфазной электрической машины р 60°, что может быть выполнено фазовым сдвигом на 180° отстающей фазы относительно фазы, где произошел отказ, а опережающая фаза не меняет фазового сдвига, кроме того, необходимо обеспечить угол нагрузки в двухфазном режиме, который теперь может быть определен углом ty между вектором ЭДС фазы и вектором формируемого в фазе тока, как параметра, не зависящего от режима работы электропривода в отличие от угла в.

Выходные сигналы трехканального ум- ножающегося цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов с учетом двухфазного режима могут быть представлены выражениями

Пс ы Е(2т - 1)- sin (у+240° + 180°);

Ьв-Ны-Еда 1-) -81п(у+120°);

Пд 1ы-Е(2т-1) -sin(y + 180°); lic w-E(2m-1) -sin (у+240°);

JIB I - 1) -sin (y+ 120° + 180°);

(2т-1}-8 пу.

(4)

Выражение (2) определяет отказ фазы А, выражение (3) - отказ фазы В, выражение (4) - отказ фазы С. Состояние канала управления отказавшей фазы на работу электропривода в двухфазном режиме влияния не оказывает.

Нулевой логический уровень с выхода 19 преобразователя 18 кода в двухфазном режиме запрещает прохождение кода а датчика 5 положения ротора через мультиплек- сор 20 и разрешает прохождение угла у. Следовательно, на информационные входы трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов приходит код угла у, вычисляемого в соответствии с выражением (5):

у а + V - в.

(5)

5 10 15 0

5

0

5

0

5

0

5

В результате чего происходит задание угла нагрузки в двухфазном режиме, вне зависимости от режима работы вентильного электропривода, на максимум момента на валу. В трехфазном режиме угол нагрузки определялся углом Ф 90°, который задается пространственным сдвигом между корпусом статора электродвигателя 1 и корпусом датчика 5 положения ротора.

Управляющий код, определяющий алгоритм работы вентильного электропривода в двухфазном режиме с выходов 24, 22, 23 с выхода преобразователя 18 кода поступает на дополнительные входы трехканзльного умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов. Этим определяется работа по одному из выражений (2) - (4) двух оставшихся фаз с круговым враща- ,ющимся полем в обмотках синхронного электродвигателя.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения одного канала трех-канального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов (фиг. 1). В трехфазном режиме его работа определяется выражением (1). На умножающий вход одного из каналов поступает сигнал с задатчика б скорости (1Ш) через вход 42, выход 43 аналогового коммутатора 38 на вход опорного напряжения умножающего цифроаналогового преобразователя 39. При этом в трех- фазном режиме на дополнительный вход поступает единичный логический уровень. На информационный вход поступает код а датчика 5 положения ротора. В результате работы трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов на выходе формируется напряжение синусоидальной формы С фазовым сдвигом (0, +120°, +240°), определяемымтаблицей программирования постоянного запоминающего устройства 40 с m разрядным двоичным кодом на выходе и амплитудой 1.

В двухфазном режиме работа трехканального формирователя 4 определяется выражениями (2) - (4). Отличие работы от трехфазного режима обусловлено заменой кода а на у по информационному входу формирователя 4, а также наличием фазового сдвига на 180° одной фазы относительно другой.

В двухфазном режиме выбор инверсной фазы определяется преобразователем 18

кода. Нулевой логический уровень на дополнительном входе одного из каналов трехка- нального формирователя 4 разрешает прохождение аналогового сигнала с умножающего входа (lo) через инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом 37 усиления (-Ц через вход 41, выход 43 аналогового коммутатора 38. В результате операция выборки из постоянного запоминающего устройства 40 со смещением фазового сдвига на 180° заменяется операцией инвертирования аналогового сигнала а, что на выходе цифроаналогового преобразователя 39 приводит к тому же результату и на выходах двух канэлрв трехка- нального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов формируются аналоговые сигналы, определяемые выражениями (2) или (3). или (4) в зависимости от отказавшей фазы.

В двухфазном режиме углы 0д и вс (при неисправности фазы В) различны (фиг. 2), различны и углы $рд и рс, при этом углы и рс могут иметь различные знаки, т.е. фаза А может иметь индуктивный, а фаза С - емкостный характер нагрузки. За счет этого суммарная реактивная мощность может быть уменьшена практически до нуля.

Таким образом, предлагаемый электропривод по сравнению с известным позволяет сохранить круговое вращающееся поле при сниженном потреблении реактивной мощности в случае аварийного отключения одной из фаз трехфазного преобразователя частоты.

Формул а изобретени я

Вентильный электропривод, содержащий трехфазный синхронный электродвигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, трехфазный преобразователь частоты с входами для подключения к источнику питания и выходом, соединенным с фазными выводами якорной обмотки синхронного электродвигателя, управляющий вход преобразователя частоты подключен к трехканальному выходу регулятора

тока, первая группа входов которого соединена с выходами датчиков тока, включенных в цепи якорной обмотки, вторая группа входов регулятора тока подключена к выходам трехканального умножающего цифроаналого формирователя гармонических сигналов, одним входом соединенного с задатчиком частоты вращения, мультиплексор с управляющим входом и двумя информационными входами, один из которых соединен с выходом датчика положения ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем сохранения кругового вращающегося поля и снижения потребления реактивной мощности при аварийном

отключении одной из фаз преобразователя частоты, формирователь гармонических сигналов снабжен дополнительными входами и введены преобразователь кода с тремя входами и четырьмя выходами, датчики состояния фаз, каждый из которых включен в соответствующую входную цепь преобразователя частоты и снабжен токовым входом, подключенным к выходу одного из датчиков тока, а выход каждого датчика состояния

фаз - к одному из входов преобразователя кодов; двухвходовый сумматор, первый вход которого образует вход электропривода, второй вход сумматора соединен с выходом датчика положения ротора, а выход - с

вторым информационным входом мультиплексора, управляющим входом соединенного с одним из выходов преобразователя кодов, остальные три выхода которого соединены с дополнительными входами формирователя гармонических сигналов, информационным входом соединенного выходом мультиплексора.

Использование: в установках и приборах с повышенной надежностью при аварийном отключении. Сущность: в входные цепи преобразователя 2 частоты якорной обмотки синхронного двигателя 1 включены датчики 10,11,12 состояний, подключенные входами к датчикам 7, 8, 9 тока, а выходами - к входам преобразователя кода 19 на входе формирователя 4 гармонических сигналов. При отсутствии неисправности в одном из каналов преобразователя 2 частоты двигатель работает в трехфазном режиме. При наличии неисправности срабатывает один из датчиков 10, 11, 12, двигатель переходит в двухфазный режим работы с сохранением кругового вращающегося поля путем выравнивания токов в оставшихся двух фазах и - сохранением угла нагрузки. 4 ил., 2 табл. ел с VJ ь о 00 ю

45

Таблица 1

(X

то

3

s ; 10

CB

CN

00

т ю т

en

«о

I

Умножающий Ixod

ФмМ

Ъыход