Вентильный электропривод

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4703840/07 (22) 12.06.89 (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71) Научно-йсследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Г.И. Однокопылов, А.П.Зайцев, Г,B.Îá-русник, А.В. Петров и В.Н, Софронов (53) 62-83:621.313.392(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1262678, кл. Н 02 P 6/02, 1984.

Авторское свидетельство СССР

М 1124416, кл. Н 02 P 6/02, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 1277340, кл. Н 02. Р 6/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

hh 1356171, кл. Н 02 Р 6/02, 1987., Ы„„1746482 Al (й)5 Н 02 К 29/06, Н 02 P 6/02 (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Использование: в установках и приборах с повышенной надежностью при аварийном отключении, Сущность: в входные цепи преобразователя 2 частоты якорной обмотки синхронно о 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 исохранением угла нагрузки. 4 ип„2 табл.

1746482,4

10

30

40

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, 2m триггера Шмитта, блок запрета с 2m управля ющи ми входами, вен тил ьн ый зле кт роп ривод 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, тахометрическое устройство, переключатель реверса, управляемый контактор и три вспомогательных источника питания.

Устройство для управления вентильным электродвигателем позволяет осуществить пуск вентильного электродвигателя в ава- 45 рийной ситуации при отказе, эквивалентном неисправности типа; обрыв ключа преобразователя- частоты из положения мертвой точки индуктора, при которых вен-. тильный электродвигатель не развивает пу- 50 скового 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 (m > 3}-фазными обмотками якоря, m-фаэный 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 вен тильного электродвигателя при неисправности типа: обрыв в цепи обмотки якоря за счет того, что в каждый коммутационный MQMeHT времени при оТсутствии потребляемого тока повторно, включают отключаемый I-й ключ на длительность ф/2, по истечении которого 1-й ключ отключают и включают(!+2)-й ключ, принадлежащий.той же группе ключей, например, анодной на длительность ф/2, после чего последовательность подключения и отключения фаэ 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 (m

- 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 повышеwe надежности путем сохранения кругового вращающегося поля и снижение потребления реактивной мощности при аварийном отключении одной из фаэ трехфазного преобразователя частоты вентильного электропривода.

1746482

10 вход которого подключен к выходу датчика положения ротора, а умножающий вход связан с задатчиком скорости, при этом три .15

30

40

55

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 подключейы к выходам трехканального регулятора тока, первые входы каждого канала которого — к выходам трехканального умножающегося цифроаналогового формирователя гармонических сигналов, основной 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 выходных 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 частоты, другие энергетические входы которого подключены к другой клемме источника постоянного напряжения электропривода, информационные выходы первого, второго, третьего датчиков состояния фаз подключены соответственно к первому, второму и третьему входам дешифратора, первый выход которого подключен к управляющему входу мультиплексора, первый вход которого через сумматор подключен к выходу датчика положения ротора, соединенному с вторым входом мультиплексора, выход которого подключен к информационным входам трехканального умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов, дополнительные входы первого, второго и третьего каналов которого подключены соответственно к третьему, четвертоМу и второму выходам дешифратора, второй вход сумматора образует вход злектропривода, выходы датчиков тока под ключены 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 — фун кцио нал ьная схема варианта датчика состояния фазы; на фиг. 4 — функциональная схема варианта одноканального умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов.

Параметры, представленные на диаграмме фиг, 2.: °

-Ед, -Ев, -Ес — обратные вектора ЭДС фаз А, 8, С соответственно;

UA. Uc — вектора фазных напряжений;

1д. Ic — вектора фазных токов:

r — активное сопротивление цепи фазной обмотки;

Xs — индуктивное сопротивление рассеяния:

Xm — сопротивление, обусловленное вэаимоиндукцией между фазными обмотками:

Хя — индуктивное сопротивление реакции якоря;

Од, Ос — углы между обратными векторами ЭДС и векторами напряжений фаз А, С соответственно; рд, рс — углы между векторами напряжений и токов фаэ А, С соответственно; tPA — угол между обратным вектором

ЭДС и вектором тока фазы А;

5 ON — ось начала отсчета углов а и у; а — угол между осью ON и вектором фазного напряжения Од; у — угол между осью ON и.вектором фазного тока IA.

- 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 выходам трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов, основной вход которого подключен к выходу датчика 5 положения ротора, а умножающий вход связан с задэтчиком б 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, второ1746482

50 го 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 подкл1очен к информационным входам трехканального умножающего цифроаналогового 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, выходи 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 IpoTp, протекающий через потенциальные входы и выходы датчиков состояния фаз (фиг, 2) I o p > Im + Е. где Im— амплитудное значение тока с учетом кратности пускового момента, — запас по току, определяемый временем срабатывания токовой о сечки по уровню lm, то срабатывает предохранитель 26 и напряжение питания преобразователя частоты оказывается приложенным к входу оптрон ного переключателя 27 и последовательно включенному резистору, единичный логический уровень с выхода оптронного переключателя 27 через элемент ИЛИ 36 проходит нв 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

lnorp — !фазе > lo, где Io — 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 фаэ является 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 IA, !в, ic в соответствии с выражением

lA = I Е((2 — 1) .sin а);

1в = I Е((2 — 1) .з!и (а + 120 )); (1)

ig = la.Å((2 — 1) з!п(а +240 )); где I„- аналогичный сигнал с выхода эадатчика 6 скорости;

m — число разрядов двоичного кода, определяющего точность формирования гармонического сигнала:

Š— функция Антье.

Выходные сигналы в соответствии с выражением (1) через трехканальный регулятор 3 тока с учетом обратной связи датчиков

7 — 9 тока поступают s трехканальный преобразователь 2 частоты. формирующий круговое вращающееся поле с обмотках синхронного электродвигателя 1.

В случае срабатывания одного из датчиков 10 — 12 состояния фаэ, на выходах 19, 24, 22 и 23 преобразователя 18 кода установится управляющее слово в соответствии с

2. 3, 4 строками таблицы истинности преоб1746482 разователя 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 трехфаэной электрической машины P= 60, что может быть выполнено фаэовым сдвигом нэ 1800 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 ф между вектором

ЭДС фазы и вектором формируемого в фазе тока, как параметра, не зависящего от режима работы электропривода в отличие от угла

О.

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

1с = 1,„E((2 — 1) з1 и (у+240 + 180 ));

1в = I Е((2 — 1) sin (+ 120 )); (2)

1д = 1р Е((2 — 1) sin (y+ 1800)) с = l„. Е((2 — 1) .sin (y+ 240 )); (3)

1в = 1 Е((2 — 1) sin (у+ 120 + 180 ));

IA = l Е((2 — 1) sin ) ), (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 сдатчика 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); (5)

В результате чего происходит задание угла нагрузки в двухфазном режиме, вне зависимости от режима работы вентильного электропривода, на максимум момента на

10 валу. В трехфазном режиме угол нагрузки определялся углом 9= 90, который задается пространственным сдвигом между корпусом статора электродвигателя 1 и корпусом датчика 5 положения ротора.

15 Управляющий код, определяющий алгоритм работы вентильного электропривода в двухфазном режиме с выходов 24, 22, 23 с выхода преобразователя 18 кода поступает на дополнительные входы трехканального

20 умножающего цифроаналогового формирователя гармонических сигналов, Этим определяется работа по одному из выражений (2) — (4) двух оставшихся фаз с круговым вращающимся полем в обмотках синхронного

25 электродвигателя, На фиг, 4 изображен вариант выполнения одного канала трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов (фиг, 1). В трехфаз30 ном режиме его работа определяется выражением (1), На умножающий вход одного из каналов поступает сигнал с задатчикэ 6 скорости (I>) через вход 42. выход 43 аналогового коммутатора 38 на вход опорного.

35 напряжения умножающего цифроаналогового преобразователя 39. При этом в трехфазном режиме на дополнительный вход поступает единичный логический уровень.

На информационный вход поступает код q

40 датчика 5 положения ротора. В результате работы трехканального умножающего цифроаналогового формирователя 4 гармонических сигналов на выходе формируется напряжение синусоидальной формы с фазо45 вым сдвигом (О, +120, +240 ), определяемым таблицей программирования постоянного запоминающего устройства 40 с m разрядным двоичным кодом на выходе и амплитудой 1„>.

50 .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

55 формирователя 4, а также наличием фазового сдвига на 180 одной фазы относительно другой.

В двухфазном режиме выбор инверсной фазы определяется преобразователем 18

1746482

Таблица 1

45 кода. Нулевой логический уровень на дополнительном входе одного из каналов трехканального формирователя 4 разрешает прохождение аналогового сигнала с умножающего входа (1м) через инвертирующий усилитель с единичным коэффициентом 37 усиления (-1,), 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 1©, что на выходе цифроаналогового преобразователя 39 приврдит к тому же результату и на выходах двух каналов трехканального 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 Вд и Ос (при неисправности .фазы В) различны (фиг, 2), различны и углы рд и рс, при этом углы ярд и фс могут иметь различные знаки, т,е. фаза А может иметь индуктивный, а фаза С вЂ” 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.

Формула изобретения

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 .

5 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 цифроанало10 го формирователя гармонических сигналов, одним входом соединенного с задатчиком частоты вращения, мультиплексор с управляющим входом и двумя информационными входами, один иэ которых соединен с выхо15 дом датчика положения ротора, о т л и ч а ю. шийся тем, что, с целью повышения надежности путем сохранения кругового вращающегося поля и снижения потребления реактивной мощности при аварийном

20 отключении одной из фаз преобразователя частоты, формирователь гармонических сигналов снабжен дополнительными входами и . введены преобразователь кода с тремя входами и четырьмя выходами, датчики состоя25 ния фаэ, каждый из которых включен в соответствующую входную цепь преобразователя частоты и снабжен токовым входом, подключенным к выходу одного иэ датчиков тока, а выход каждого датчика состояния

30 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 .

35 вторым информационным входом мульти- . плексора. управляющим входом соединенного с одним из выходов преобразователя . кодов, остальные три выхода которого соединены с дополнительными входами фор40 мирователя гармонических сигналов; информационным входом соединенного выходом мультиплексора, 1746482

Таблица 2

1746482

Выл

Составитель А,Зайцев

Техред М.Моргентал Корректор М.Пожо

Редактор Н.Рогулич

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина. 101

Заказ 2401 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия м при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб„4/5