Вентильный электропривод с обеспечением свойства живучести
Владельцы патента RU 2447561:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано в широкорегулирумых вентильных двигателях с обеспечением свойства живучести при аварийном отключении одной из фаз трехфазного преобразователя частоты. Изобретение направлено на упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей вентильного электропривода со свойством живучести при аварийном отключении одной из фаз трехфазного вентильного двигателя с сохранением кругового вращающегося поля. Указанный технический результат достигают тем, что вентильный электропривод с обеспечением свойства живучести содержит трехфазный синхронный электродвигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, трехфазный преобразователь частоты, подключенный к источнику питания и к фазным обмоткам синхронного электродвигателя, задатчик частоты вращения, три датчика тока, включенных в цепи обмотки статора синхронного электродвигателя. К микроконтроллеру подключены выходы датчиков тока, выход датчика положения ротора, задатчик частоты вращения и трехфазный преобразователь частоты. Три защитных элемента подключены к источнику питания, к трехфазному преобразователю частоты и к микроконтроллеру. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводу, и может быть использовано в широкорегулирумых вентильных двигателях с обеспечением свойства живучести при аварийном отключении одной из фаз трехфазного преобразователя частоты.
Известен вентильный электропривод со свойством живучести (патент РФ на полезную модель №59905, МПК Н02К 29/06 (2006.01), H02P 6/00 (2006.01), опубл. 27.12.2006, содержащий трехфазный синхронный двигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, три преобразовательных ячейки трехфазного преобразователя частоты, подключенные к источнику питания через соответствующие датчики состояния фаз. Преобразовательные ячейки соединены с обмотками синхронного электродвигателя через датчики тока, которые подключены к датчикам состояния фаз. Синхронный электродвигатель выполнен в виде m-фазной синхронной машины, где m≥3. К микроконтроллеру подключены m датчиков состояния фаз, m преобразовательных ячеек m-фазного преобразователя частоты, m датчиков тока, датчик положения и задатчик частоты вращения.
Недостатками полезной модели являются повышенные аппаратные затраты датчиков состояния фаз по диагностике отказавшей фазы.
Известен вентильный электропривод (А.с. СССР №1746482, МПК5 Н02К 29/06, H02P 6/02, опубл. 07.07.1992), выбранный в качестве прототипа, содержащий трехфазный синхронный электродвигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, трехфазный преобразователь частоты, подключенный к источнику питания и к фазным обмоткам синхронного электродвигателя. Управляющий вход преобразователя частоты подключен к трехканальному выходу регулятора тока. Первая группа входов регулятора тока соединена с выходами датчиков тока, включенных в цепи обмотки статора синхронного электродвигателя. Вторая группа входов регулятора тока подключена к выходам трехканального умножающего формирователя гармонических сигналов. Один вход формирователя соединен с задатчиком частоты вращения. Датчики состояния фаз включены в соответствующую входную цепь трехфазного преобразователя частоты и подключены к соответствующим датчикам тока и к преобразователю кодов. Сумматор соединен с входом электропривода, с выходом датчика положения ротора и с мультиплексором, который также соединен с датчиком положения ротора и с преобразователем кодов, три выхода которого соединены с формирователем гармонических сигналов, информационный вход которого соединен с мультиплексором.
Недостатками этого технического решения являются: повышенные аппаратные затраты выполнения датчиков состояния фаз по диагностике отказавшей фазы и системы управления двигателем по обеспечению аварийного двухфазного режима работы.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и расширение функциональных возможностей вентильного электропривода со свойством живучести при аварийном отключении одной из фаз трехфазного вентильного двигателя с сохранением кругового вращающегося поля.
Поставленная задача решена за счет того, что вентильный электропривод с обеспечением свойства живучести, также как в прототипе, содержит трехфазный синхронный электродвигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, трехфазный преобразователь частоты, подключенный к источнику питания и к фазным обмоткам синхронного электродвигателя, задатчик частоты вращения, три датчика тока, включенных в цепи обмотки статора синхронного электродвигателя.
В отличие от прототипа дополнительно введен микроконтроллер, к которому подключены выходы датчиков тока, выход датчика положения ротора, задатчик частоты вращения и трехфазный преобразователь частоты. Введены три защитных элемента, подключенных к источнику питания, к трехфазному преобразователю частоты и к микроконтроллеру.
Каждый защитный элемент состоит из плавкой вставки, подключенной одним концом к плюсовому выводу источника питания, а другим концом - к преобразователю частоты и к аноду тиристора. Катод тиристора подключен к минусовому выводу источника питания и к преобразователю частоты, а управляющий электрод и катод тиристора подключены к микроконтроллеру.
За счет возможности реализации датчиков тока и положения ротора в цифровом или аналоговом виде и возможности изменения структуры и параметров программы, реализующей алгоритм восстановления с учетом технических характеристик элементов электропривода, расширены его функциональные возможности. Кроме того, выполнение блокирования отказавшей ячейки трехфазного преобразователя частоты за счет перегорания плавкой вставки по принудительно включаемому коротящему тиристору вместо перегорания плавкой вставки по превышению допустимого значения тока, как это было выполнено в прототипе, позволяет расширить функциональные возможности преобразователя частоты по заданию величины кратности пускового тока вентильного двигателя и улучшить его динамические характеристики. Контуры тока в каждой фазе электродвигателя выполняются программным путем. При этом в случае отказа в одной из фаз электродвигателя выделяется ошибка работы регуляторов тока на каждом интервале широтно-импульсной модуляции, не требуется дополнительная аппаратная поддержка для получения бита отказа и его дешифрации, как это было выполнено в прототипе.
На фиг.1 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления, позволяющая реализовать программное управление всеми режимами трехфазного вентильного двигателя.
На фиг.2 представлен вариант исполнения схемы защитного элемента.
Вентильный электропривод с обеспечением свойства живучести (фиг.1) содержит трехфазный синхронный электродвигатель 1 (СД), на валу которого установлен датчик положения ротора 2 (ДП), трехфазный преобразователь частоты 3 (ПЧ), который подключен через три соответствующих защитных элемента 4 (ЗЭ1), 5 (ЗЭ2), 6 (ЗЭ3) к плюсовому выводу 7 источника питания. Трехфазный преобразователь частоты 3 (ПЧ) тремя соответствующими выводами подключен к минусовому выводу 8 источника питания, к которому подключены три защитных элемента 4 (ЗЭ1), 5 (ЗЭ2), 6 (ЗЭ3). Трехфазный преобразователь частоты 3 (ПЧ) через соответствующие датчики тока 9, 10, 11 подключен к фазным обмоткам синхронного электродвигателя 1 (СД). Микроконтроллер 12 (МК) подключен к задатчику частоты вращения 13 (ЗЧВ), к датчику положения ротора 2 (ДП), к трем защитным элементам 4 (ЗЭ1), 5 (ЗЭ2), 6 (ЗЭ3) и к соответствующим выходам датчиков тока 9, 10, 11. Трехфазный преобразователь частоты 3 (ПЧ) состоит из трех независимых ячеек, каждая из которых состоит из четырех силовых ключей 14.1-14.4, 14.5-14.8, 14.9-14.12, собранных по мостовым схемам. Микроконтроллер 12 (МК) подключен к силовым ключам 14.1-14.12 трехфазного преобразователя частоты 3 (ПЧ) и к минусовому выводу источника питания 8.
В качестве синхронного электродвигателя 1 (СД) может быть выбрана любая трехфазная синхронная машина, например ДБМ-120, ДСТ-180. В качестве датчиков 9, 10, 11 тока могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, вырабатывающие аналоговый или цифровой сигнал, например модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Датчик положения 2 (ДП) реализован в виде датчика положения, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал, например типа ВЕ-178А. Микроконтроллер 12 (МК) использован серийно выпускаемый, например, одноплатный микроконтроллер типа АТ89С2051. В качестве силовых ключей 14.1-14.12 могут быть выбраны транзисторы типа 1MBi600NN-060. Задатчик частоты вращения 13 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания. Защитные элементы 4 (ЗЭ1), 5 (ЗЭ2), 6 (ЗЭ3), один из которых представлен на фиг.2, состоят из плавкой вставки 15, подключенной одним концом к плюсовому выводу источника питания 7, а другим концом - к преобразователю частоты 3 (ПЧ) и к аноду тиристора 16. Катод тиристора 16 подключен к минусовому выводу источника питания 8 и к преобразователю частоты 3 (ПЧ). Управляющий электрод и катод тиристора 16 подключены к микроконтроллеру 12 (МК).
Входной величиной электропривода является сигнал с задатчика частоты вращения 13 (ЗЧВ). Из блока датчика положения ротора 2 (ДП) поступает в микроконтроллер 12 (МК) сигнал α углового положения вала синхронного электродвигателя 1 (СД), по которому микроконтроллер 12 (МК) вырабатывает сигналы управления для силовых ключей 14.1-14.12 трехфазного преобразователя 3 (ПЧ), который формирует синусоидальные токи в фазных обмотках синхронного электродвигателя 1 (СД). По значениям сигналов с выходов датчиков тока 9, 10, 11 микроконтроллер 12 (МК) корректируют мгновенные значения фазных токов синхронного электродвигателя 1 (СД), при этом микроконтроллер 12 (МК) анализирует состояние каждой фазы преобразователя частоты 3 (ПЧ) на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и в случае отказа в одной из фаз электродвигателя микроконтроллер 12 (МК) диагностирует ошибку работы одного из регуляторов тока и вырабатывает бит отказа той фазы, где произошла аварийная ситуация. В случае выявления отказа в одной из фаз микроконтроллер 12 (МК) включает выполнение алгоритма восстановления функционирования для обеспечения работы на двух оставшихся фазах, как реализовано в прототипе. По биту отказа происходит выключение силовых ключей 14.1-14.12 отказавшего моста и включение соответствующего тиристора 16 защитных элементов 5 (ЗЭ1), 6 (ЗЭ2), 7 (ЗЭ3), плавкая вставка 15 перегорает и поступление напряжения на отказавший мост преобразователя частоты 3 (ПЧ) прекращается, в результате предотвращается аварийная ситуация при отказах электропривода типа: «невыключение» или «невключение» силовых ключей или «обрыв обмотки» статора синхронного электродвигателя 1 (СД).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить упрощение конструкции и существенно расширить функциональные возможности вентильного электропривода со свойством живучести при аварийном отключении одной из фаз с сохранением кругового вращающегося поля.
1. Вентильный электропривод с обеспечением свойства живучести, содержащий трехфазный синхронный электродвигатель, на валу которого установлен датчик положения ротора, трехфазный преобразователь частоты, подключенный к источнику питания и к фазным обмоткам синхронного электродвигателя, задатчик частоты вращения, три датчика тока, включенных в цепи обмотки статора синхронного электродвигателя, отличающийся тем, что дополнительно введен микроконтроллер, к которому подключены выходы датчиков тока, выход датчика положения ротора, задатчик частоты вращения и трехфазный преобразователь частоты, а также введены три защитных элемента, подключенных к источнику питания, к трехфазному преобразователю частоты и к микроконтроллеру.
2. Вентильный электропривод по п.1, отличающийся тем, что каждый защитный элемент состоит из плавкой вставки, подключенной одним концом к плюсовому выводу источника питания, а другим концом - к преобразователю частоты и к аноду тиристора, катод тиристора подключен к минусовому выводу источника питания и к преобразователю частоты, а управляющий электрод и катод тиристора подключены к микроконтроллеру.
