Способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя
Владельцы патента RU 2311721:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в широкорегулируемых вентильных двигателях. Техническим результатом является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя, выполненного с микроконтроллерной системой управления, при аварийном отключении одной из фаз путем сохранения кругового вращающегося поля с расширенным диапазоном регулирования частоты вращения. В способе на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя. 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, определеляемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=π/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ, определеляемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ=π/6 в двухфазном режиме. Используя предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов Iω; значение текущего кода датчика положения ротора α; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора σ и значение углов θ и ψ, определяют значение битов по отказам фаз а, b, с и значение бита d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ. Формируют задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз для опережающей или отстающей фазы вектора тока по выражениям, указанным в формуле изобретения. 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкорегулирумых вентильных двигателях.
Известен способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя для механизмов космических станций с высокоточным управлением (Fault-tolerant permanent magnet machine drives/ Mecrow B.C., Jack A.G., Haylock J.A., Coles J.// IEE Proc. Elec. Power Appl. [IEE Proc. В]. - 1996. V. 143, №6. - P.437-442), в котором осуществляют восстановление работоспособности при неисправности типа: короткое замыкание и обрыв фазы. Живучесть обеспечивают диагностикой с последующим отключением отказавшей фазы многофазного вентильного двигателя.
Недостатком этого способа является повышенная сложность аппаратной части для его осуществления вследствие применения принципа глубокого резервирования.
Известен способ аварийного пуска в заданном направлении вентильного двигателя (Патент Японии №49-45081, кл. 55 С2, 1974), в котором на синхронную машину, управляемую от преобразователя частоты по сигналам датчика положения индуктора, подают команду на движение индуктора в заданном направлении за счет открывания ключей преобразователя частоты в определенной комбинации, контролируют неподвижное состояние индуктора, затем подают команду на управляющие цепи ключей преобразователя частоты, обеспечивая комбинацию их включения, отличную от первоначальной. При этом вероятность пуска электродвигателя составляет 0,75 и есть определенные положения индуктора, когда вентильный электродвигатель может не запуститься или запуститься в противоположном заданному направлении.
Недостатком способа аварийного пуска является ограниченная вероятность пуска 0,75 (менее 1) и возможны положения индуктора, при которых пуск двигателя осуществляется в направлении, противоположном заданному.
Известен способ аварийного пуска в заданном направлении вентильного электродвигателя (А.с. СССР №1124416, МКИ3 Н02Р 1/04, 6/02/; Н02К 29/02. - Опубл. в БИ №42, 1984), управляющий синхронной машиной от преобразователя частоты по сигналам датчика положения индуктора, при котором подают команду на движение индуктора в заданном направлении за счет открытия ключей преобразователя частоты в определенной комбинации, контролируют неподвижное состояние индуктора. Затем подают команду на управляющие цепи ключей преобразователя частоты. Команду подают на движение индуктора в противоположном направлении, обеспечивая перемещение индуктора на угол ϑ, причем
где m и p - числа секций и пар полюсов синхронной машины;
δ - относительная величина перекрытия последовательности работающих ключей преобразователя частоты;
k=0, 1, 2... (целое число). После этого по той же цепи подают команду на движение индуктора в заданном направлении. При этом вероятность пуска электродвигателя составляет 0,95.
Недостатком способа аварийного пуска является ограниченная вероятность пуска 0,95 (менее 1).
Известен способ управления вентильным двигателем (А.с. СССР №1277340, МКИ3 Н02Р 6/02. - Опубл. в БИ №46, 1986), позволяющий обеспечить живучесть и улучшить энергетические характеристики при неисправности типа «обрыв в цепи обмотки якоря», заключающийся в том, что на каждом межкоммутационном интервале
χ=2π/mp,
где m≤3 - число фаз обмотки якоря,
p - число пар полюсов электродвигателя,
последовательно подключают к источнику питания и отключают от него фазы обмотки якоря (с помощью ключей m-фазного преобразователя частоты). Контролируется потребляемый ток и при отсутствии потребления тока формируется сигнал управления, изменяющий последовательность подключения и отключения фаз обмотки якоря к источнику питания. В каждый коммутационный момент времени при отсутствии потребления тока повторно включается отключаемый i-й ключ на длительность χ/2, по истечении которого i-й ключ отключают.
Включают (i+2)-ключ, принадлежащий той же группе ключей, например анодный, на длительность χ/2, а затем последовательность подключения и отключения фаз обмотки якоря восстанавливают. Для вентильных электродвигателей с однополупериодным преобразователем частоты для реализации этого способа управления необходимо выполнять датчик положения ротора с повышенной разрешающей способностью для того, чтобы обеспечить фиксацию прохождения индуктором углового интервала χ/2, равного половине межкоммутационного интервала χ.
Недостатком этого технического решения является ограниченная область применения - невозможность функционирования в электроприводе с синусоидальной формой тока, что ограничивает диапазон регулирования частоты вращения.
Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (А.с. СССР №1746482, МКИ3 Н02Р 7/42. - Опубл. в БИ №25, 1992), 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 магнитодвижущая сила в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным π/6 в двухфазном режиме.
Недостатком этого технического решения являются: реверсирование вращения вала двигателя при переключении из трех в двухфазный аварийный режим, 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.
Происходит увеличение времени реакции системы управления на выявленный отказ одной из преобразовательных ячеек, что приводит в конечном итоге к повышенным пульсациям момента и частоты вращения на валу двигателя, особенно в нижней части диапазона регулирования, что снижает диапазон регулирования частоты вращения в аварийном двухфазном режиме по сравнению с электроприводом, выполненным с системой управления на жесткой логике.
Задачей изобретения является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя, выполненного с микроконтроллерной системой управления, при аварийном отключении одной из фаз путем сохранения кругового вращающегося поля с расширенным диапазоном регулирования частоты вращения.
Указанный технический результат достигают тем, что в способе обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, так же, как в прототипе, на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя, 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, определеляемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=π/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ, определеляемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ=π/6 в двухфазном режиме. Согласно изобретению используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов Iω; 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 а, b, с и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪с, 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:
Поставленная задача достигается тем, что в способе, так же, как в прототипе, при переключении из трехфазного в аварийный двухфазный режим происходит изменение порядка чередования тока в фазах из-за изменения угла с 2 π/3 на π/3. Из фиг.1 видно, что при отказе в любой из фаз происходит изменение порядка чередования фаз. Как видно из фиг.1, в случае отказа в одной из фаз существует две возможные комбинации изменения положения векторов тока: в отстающей либо в опережающей фазе. Получение временного сдвига токов обмоток трехфазной электрической машины на угол β=π/3 может быть обеспечено выполнением следующего правила: в случае отказа в одной из фаз угол (фиг.1) между векторами токов (напряжений) в двух оставшихся фазах определяется углом δ=2π/3 и для формирования временного сдвига токов β=π/3 необходимо осуществить фазовый сдвиг формируемых сигналов управления на угол, равный π, отстающей (или опережающей) фазы относительно фазы, где произошел отказ, при этом опережающая (отстающая) фаза не меняет фазового сдвига. Известно, что изменение порядка чередования фаз в трехфазном двигателе переменного тока обязательно приводит к реверсу направления вращения вала двигателя. В заявляемом способе учтен этот факт и произведено реверсирование кода датчика положения, который используется при формировании позиционной модуляции вентильного двигателя. В результате двойного изменения порядка чередования токов в фазах обеспечивается неизменность направления вращения вала двигателя.
На фиг.1 представлены векторные диаграммы токов фаз в 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 аварийном 2-фазном режиме работы, где а - для неконтролируемой аварийной ситуации, б - при активизированном алгоритме восстановления.
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 синхронная 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) преобразователя частоты 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 трехфазные синхронные машины ДБМ - 120, ДСТ - 180. Входной величиной электропривода 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 а, b, с, 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 или для опережающей фазы вектора тока:
или для отстающей фазы вектора тока:
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∪с (∪ - логическая операция ИЛИ), если d=1 - есть отказ в одной из фаз;
- инверсные значения а, b, с, d.
Из временных диаграмм переходных процессов (Фиг.3а) при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы видно, что скорость вентильного двигателя падает практически в 2 раза при неконтролируемой аварийной ситуации. Кроме того, момент двигателя после окончания переходных процессов упал практически в 3 раза, т.е. вентильный двигатель не поддерживает свойство живучести. При активизированном алгоритме восстановления (Фиг.3б) падение частоты вращения и вращающего момента составляет не более 10% и с сохранением направления вращения вала двигателя. То есть применение предложенного способа обеспечивает живучесть трехфазного вентильного двигателя.
Предложенное техническое решение позволяет обеспечить 100% вероятность пуска в заданном направлении, обеспечивает возможность работы с синусоидальной формой тока и в случае отказа в одной из фаз позволяет обеспечить сохранение кругового вращающегося поля с расширенным диапазоном регулирования, с сохранением направления вращения и уменьшением времени реакции микропроцессорной системы управления при переключении алгоритма восстановления из трехфазного в двухфазный режим, равным времени интервала широтно-импульсной модуляции при отсутствии дополнительных аппаратных затрат для поддержки алгоритма восстановления работоспособности.
Способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, заключающийся в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя, 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, определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ=π/6 в двухфазном режиме, отличающийся тем, что используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов Iω; значение текущего кода датчика положения ротора α; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора σ и значение углов θ и ψ, затем определяют значение битов по отказам фаз а, b, с 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:
