Электропривод переменного тока повышенной живучести

Предложение относится к области электротехники, в частности к электроприводам переменного тока с двухзвенными электрическими преобразователями частоты, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению живучести. К таким электроприводам можно отнести электроприводы ответственных механизмов и автономных электроэнергетических систем, например электроприводы электроэнергетических установок судов, электровозов, электричек, экскаваторов и любых других подвижных объектов с системами электродвижения. Технический результат - реализация аварийного двухфазного алгоритма работы электропривода, в случае отказа в одной из фаз электрической машины переменного тока, с сохранением вращения электродвигателя, а также обеспечение возможности повторного пуска, реверса и работы электропривода с мощностью на валу не более 2/3 от номинальной. Предложенное схемное решение позволяет осуществлять питание электропривода от любых источников электроэнергии как переменного тока с различным числом фаз и различными типами нейтрали, так и постоянного тока, что добавляет универсальности предложенного схемного решения. Поставленные цели достигаются тем, что для реализации двухфазного алгоритма работы электропривода в схему преобразователя частоты введен дополнительный транзисторный полумост, к выходу которого подключен нулевой провод электрической машины. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предложение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах переменного тока с двухзвенными электрическими преобразователями частоты, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению живучести. К таким электроприводам можно отнести электроприводы ответственных механизмов и автономных электроэнергетических систем, например электроприводы электроэнергетических установок судов, электровозов, электричек, экскаваторов и любых других подвижных объектов с системами электродвижения.

Известны устройства защиты электроприводов [патент US 2003/0214770 А1, МПК H02H 3/00, 20.11.2003 и патент DE 10148882 А1, МПК H02h 7/09, H02H 6/00, 20.06.2002], содержащие датчики тока и напряжения, установленные в элементах электропривода, по информации с которых производят определение требуемых переменных состояния электропривода и, в случае выхода контролируемых параметров за допустимые пределы, производится его отключение. Недостаток устройства заключается в отключении электропривода в случае выхода некоторых переменных состояния за допустимые пределы и отсутствии возможности продолжать работу электропривода. Известно устройство обеспечения живучести асинхронного электропривода эскалатора [патент JP 3293289, МПК B66B 25/00, B66B 27/00, B66B 29/00, 24.12.1991], содержащее источник переменного тока, выход которого подключен к входу двухзвенного преобразователя частоты, выход которого через первый контактор, соединен с обмотками электродвигателя и содержащее еще один контактор соединяющий источник переменного тока и асинхронный электродвигатель. Предложенное устройство обеспечивает работоспособность электропривода в случае выхода из строя электрического преобразователя. Живучесть обеспечивают диагностикой с последующим отключением питания двигателя от преобразователя частоты и переключением его напрямую к источнику переменного тока. Недостаток устройства заключается в невозможности работы электропривода при обрыве фазы двигателя, а также наличие контакторов, которые должны быть рассчитаны на полный ток нагрузки. К недостатку схемы также относится невозможность регулирования частоты вращения электропривода.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство асинхронного электропривода со свойством живучести [патент RU 67354 на ПМ, МПК H02P 5/408, 10.10.2007 и патент RU 2326480, МПК H02H 7/09, H02H 7/12, 10.06.2008]. Устройство содержит двухзвенный преобразователь частоты, выход которого через датчики тока подключен к входу асинхронного электродвигателя, содержащего вывод нулевой точки обмоток, который подключен в среднюю точку емкостного фильтра звена постоянного тока преобразователя частоты и соединенную с нулем источника переменного тока, питающего преобразователь частоты. Информационные выходы датчиков тока подключены к системе управления и в случае возникновения аварийной ситуации типа "обрыв фазы" реализуется алгоритм восстановления работоспособности электропривода с переходом на двухфазный режим работы электропривода и ограничением выходных переменных состояния. Недостатками устройства являются: обязательное наличие трехфазного источника переменного тока с заземленной нейтралью и содержащего нулевой провод, невозможность работы электропривода от источника постоянного тока, наличие сложного емкостного фильтра звена постоянного тока преобразователя частоты, содержащего нулевую точку. К недостаткам предложенного устройства также следует отнести значительное ограничение выходной мощности электропривода при его работе в аварийном двухфазном режиме работы. Следует отметить, что нулевой провод при такой схемотехнической реализации является рабочим в любом режиме работы электропривода.

Предлагаемое устройство позволяет осуществить питание электропривода от трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью либо от однофазной сети переменного тока, либо от сети постоянного тока. Электропривод позволяет использовать электрический преобразователь с простой схемотехнической реализацией емкостного фильтра звена постоянного тока, а также значительно повысить максимальную мощность на выходе при работе в двухфазном режиме до значения до 2/3 от номинальной. Такая схемотехническая реализация позволит продолжить работу электропривода в случае аварии типа "обрыв фазы" или в случае выхода из строя полупроводникового модуля инвертора преобразователя частоты.

Устройство, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, трехфазную электрическую машину переменного тока 2 с выведенным нулевым проводом 3, три датчика тока 4, 5, 6, двухзвенный электрический преобразователь частоты 7. Вход преобразователя частоты 7 подключен к источнику электроэнергии переменного тока 8, а выход через три датчика тока 4, 5, 6 - к обмоткам трехфазной электрической машины 2 переменного тока, которые соединены звездой. Информационные выходы датчиков тока 4, 5, 6 подключены к входу системы управления 1 электрическим преобразователем, выходы которой подключены к управляющим входам силовых полупроводниковых ключей электрического преобразователя частоты 7. Преобразователь частоты 7 содержит два транзистора 9, 10 с обратными диодами 11, 12. Коллектор первого транзистора 9 подключен к "плюсовой" шине 13 звена постоянного тока электрического преобразователя частоты 7, а его эмиттер соединен с коллектором второго транзистора 10, эмиттер которого подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя 7. Нулевой провод 3 электродвигателя 2 подключен к эмиттеру первого транзистора 9 и коллектору второго транзистора 10.

Устройство электропривода переменного тока повышенной живучести может быть снабжено преобразователем частоты с реле и тормозным резистором 15 (Фиг.2). Один вывод тормозного резистора 15 подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя частоты 7, а реле состоит из катушки управления 16 и переключающего контакта 17, который соединяет эмиттер первого 9 и коллектор второго 10 транзисторов со вторым выводом тормозного резистора 15 (нормально-замкнутым контактом), либо эмиттер первого 9 и коллектор второго 10 транзисторов с нулевым проводом 3 электрического двигателя 2 (нормально-разомкнутым контактом), а катушка реле 16 подключена к системе управления 1.

Устройство электропривода переменного тока повышенной живучести и инвертор напряжения 18 преобразователя частоты 7 может получать питание от источника электроэнергии постоянного тока 19 (Фиг.3). При этом плюс источника электроэнергии постоянного тока 19 подключен к "плюсовой" шине 13 звена постоянного тока электрического преобразователя 7, минус источника электроэнергии постоянного тока 19 подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя 7.

Работа электропривода переменного тока повышенной живучести происходит следующим образом.

Датчики тока 4, 5, 6 являются информационными элементами, по информации с которых можно диагностировать неисправности электропривода типа "обрыв фазы" или выхода из строя полупроводникового модуля на "обрыв" полумоста фазы инвертора 18 преобразователя частоты 7.

В штатном режиме работы действующие значения токов электродвигателя равны между собой, сумма мгновенных значений токов трех фаз равна нулю и фазы токов сдвинуты на угол $$\frac{2\cdot \pi }{3}$$ друг относительно друга. При этом на статоре электрической машины переменного тока образуется вращающееся круговое магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем ротора, увлекает его за собой и осуществляет электромеханическое преобразование энергии. На этом принципе основана работа электрических машин переменного тока.

В штатном режиме работы инвертора 18 преобразователя частоты 7 на его выходе формируются линейные напряжения, регулируя которые можно изменять переменные состояния электропривода по заданному алгоритму. Функции управления ключами инвертора, например при законе управления двухполярной синусоидальной ШИМ, определяются согласно

$$\begin{array}{cc}VT1=\frac{sign\left(U_a-U_{oп}\right)+1}{2}& VT2=\frac{sign\left(U_{oп}-U_a\right)+1}{2}\\ VT3=\frac{sign\left(U_b-U_{oп}\right)+1}{2}& VT4=\frac{sign\left(U_{oп}-U_b\right)+1}{2}\\ VT5=\frac{sign\left(U_c-U_{oп}\right)+1}{2}& VT6=\frac{sign\left(U_{oп}-U_c\right)+1}{2}\end{array}$$

где $$sign(x)=\frac{x}{\left|x\right|}$$ - знаковая функция; U_a=k_мод·sin(ω·r), $$U_b=k_{мод}\cdot \sin \left(\omega \cdot t-\frac{2\cdot \pi }{3}\right),$$ $$U_c=k_{мод}\cdot \sin \left(\omega \cdot t+\frac{2\cdot \pi }{3}\right)$$ - напряжение управления; k_мод - коэффициент модуляции; ω - частота напряжения управления; $$U_{оп}=\frac{2}{\pi }\cdot \arccos \left(\cos \cdot \left({\omega }_1\cdot t+\frac{\pi }{2}\right)\right)-1$$ - опорное пилообразное напряжение; ω₁ - частота опорного пилообразного напряжения.

В случае обрыва фазы двигателя или выхода из строя модуля инвертора действующее значение тока в неисправной фазе электродвигателя становится равным нулю, а мгновенные значения токов в оставшихся двух фазах становятся равными по амплитуде и находятся в противофазе. В результате чего образуется не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле и значительно падает величина электромагнитного момента электрической машины 2. Для получения вращающегося кругового поля необходимо как минимум две обмотки с независимым их питающим напряжением, которое необходимо сдвинуть на угол, определяемый углом расположения фаз друг относительно друга в пространстве. Таким образом, для получения кругового вращающего поля в аварийном двухфазном режиме работы электропривода необходимо обеспечить возможность независимого формирования питающего напряжения двух оставшихся фаз, что можно осуществить с использованием нулевого провода 3 электродвигателя 2. С учетом того, что обмотки фаз электрической машины переменного тока сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол 120°, необходимо осуществлять их питание напряжением одинаковой амплитуды и частоты, но сдвинутыми друг относительно друга на угол $$\frac{\pi }{3}.$$

Таким образом, в случае обнаружения отказа в одной из фаз электродвигателя, датчики тока 4, 5, 6 должны отследить это изменение и система управления 1 должна изменить функции управления ключами инвертора таким образом, чтобы отключить неисправную фазу, а на двух оставшихся формировать потенциалы, равные по величине, но сдвинутые по фазе на угол $$\frac{\pi }{3}$$ , при этом необходимо формировать на нулевом проводе 3 двигателя 2 нулевой потенциал посредством управления полумостом, состоящим из транзисторов 9 и 10 преобразователя частоты 7.

Для примера составим функции управления ключами инвертора для управления преобразователем частоты 7 в аварийном двухфазном режиме в случае обрыва фазы "W" электродвигателя по информации с датчика тока 4. В результате произойдет активизация аварийного двухфазного режима работы преобразователя частоты 7 с формированием функции управления ключами согласно алгоритму

$$\begin{array}{cc}VT1=\frac{sign\left(U_a-U_{oп}\right)+1}{2}& VT2=\frac{sign\left(U_{oп}-U_a\right)+1}{2}\\ VT3=\frac{sign\left(U_b-U_{oп}\right)+1}{2}& VT4=\frac{sign\left(U_{oп}-U_b\right)+1}{2}\\ VT5=0& VT6=0\\ VT9=\frac{sign\left(U_0-U_{oп}\right)+1}{2}& VT10=\frac{sign\left(U_{oп}-U_0\right)+1}{2}\end{array}$$

при этом U_a=k_мод·sin(ω·t), $$U_b=k_{мод}\cdot \sin \left(\omega \cdot t-\frac{\pi }{3}\right),$$ U₀=0.

В результате чего на выходе преобразователя частоты 7 формируются потенциалы φ₀=0, φ_u=U_ном·k_мод·sin(ω·t), $${\varphi }_v=U_{ном}\cdot k_{мод}\cdot \sin \left(\omega \cdot t-\frac{\pi }{3}\right),$$ при этом напряжения на рабочих фазах двигателя равны U_u0=φ_u-φ₀, U_v0=φ_v-φ₀.

Таким образом, предложенное алгоритмическое обеспечение и схемотехническая реализация позволят реализовать аварийный двухфазный режим работы электропривода переменного тока повышенной живучести.

На Фиг.2 приведена схемная реализация электропривода переменного тока повышенной живучести, в котором на вновь введенных элементах совмещены функции восстановления работоспособности электропривода в аварийном режиме и возможность осуществления торможения электропривода в штатном режиме его работы. В штатном режиме работы катушка реле 16 находится в обесточенном состоянии, при этом тормозной резистор 15 через нормально замкнутый контакт 17 реле и транзисторный ключ 9 подключен к шинам 13 и 14 звена постоянного тока преобразователя частоты 7. В режиме торможения, когда частота вращения магнитного поля ротора электропривода выше частоты выходного напряжения преобразователя частоты 7, кинетическая энергия, запасенная в роторе машины и исполнительном механизме, преобразуется в электрическую и в виде тока возвращается в звено постоянного тока, заряжая конденсатор. В том случае, когда напряжение на конденсаторе становится выше допустимого значения, происходит его разряд за счет работы транзистора 9 в режиме ШИМ, в результате чего происходит рассеивание этой энергии в тормозном резисторе 15 в виде тепла. Если необходимо осуществить активацию аварийного двухфазного режима работы электропривода переменного тока по информации с датчиков тока 4, 5, 6, то на катушку реле 16 система управления 1 подаст напряжение. В результате, катушка реле 16 сработает и переключит контакт 17, в результате чего эмиттер транзистора 9 и коллектор транзистора 10 будут соединены с нулевым проводом 3 электрической машины 2. После чего будет активизирован двухфазный режим управления инвертором 18 преобразователя частоты 7 по алгоритму, приведенному ранее. Таким образом, схемная реализация, изображенная на Фиг.2, позволяет совместить несколько функциональных назначений, возложенных на вновь введенные транзисторы 9 и 10.

На Фиг.3 приведена возможность питания преобразователя частоты от источника постоянного напряжения 19, подключенного к шинам 13 и 14 звена постоянного тока, при этом расширяются функциональные возможности и универсальность предложенного электропривода переменного тока повышенной живучести.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет, в случае отказа в одной из фаз электрической машины переменного тока, обеспечить аварийный двухфазный режим работы электропривода с сохранением вращения электродвигателя, а также обеспечить возможность повторного пуска реверса и штатной работы электропривода с мощностью на валу не более 2/3 от номинальной. Предложенное схемное решение позволяет осуществлять питание электропривода от любых источников электроэнергии как переменного тока с различным числом фаз и различными типами нейтрали, так и постоянного тока, что добавляет универсальности предложенному решению.

1. Электропривод переменного тока повышенной живучести, содержащий систему управления, электрическую машину переменного тока с выведенным нулевым проводом, три датчика тока, двухзвенный электрический преобразователь частоты, вход которого подключен к источнику электроэнергии переменного тока, а выход через три датчика тока к обмоткам трехфазной электрической машины переменного тока, которые соединены звездой, информационные выходы датчиков тока подключены к входу системы управления электрическим преобразователем, выходы которой подключены к управляющим входам силовых полупроводниковых ключей электрического преобразователя частоты, отличающийся тем, что электрический преобразователь частоты содержит два транзистора с обратными диодами, причем коллектор первого транзистора подключен к "плюсовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя частоты, а его эмиттер соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого подключен к "минусовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя, а нулевой провод электродвигателя подключен к эмиттеру первого и коллектору второго транзисторов.

2. Электропривод переменного тока повышенной живучести по п.1, отличающийся тем, что он снабжен реле и тормозным резистором, один вывод которого подключен к "минусовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя частоты, а реле состоит из катушки управления и переключающего контакта, который соединяет эмиттер первого и коллектор второго транзисторов со вторым выводом тормозного резистора (нормально-замкнутым контактом), либо эмиттер первого и коллектор второго транзисторов с нулевым проводом электрического двигателя (нормально-разомкнутым контактом), а катушка реле подключена к системе управления.

3. Электропривод переменного тока повышенной живучести по п.2, отличающийся тем, что инвертор напряжения электрического преобразователя получает питание от источника электроэнергии постоянного тока, плюс источника электроэнергии постоянного тока подключен к "плюсовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя, минус источника электроэнергии постоянного тока подключен к "минусовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя.