Электропривод переменного тока повышенной живучести



Электропривод переменного тока повышенной живучести
Электропривод переменного тока повышенной живучести
Электропривод переменного тока повышенной живучести
Электропривод переменного тока повышенной живучести
Электропривод переменного тока повышенной живучести

 


Владельцы патента RU 2540959:

Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственный центр "Судовые электротехнические системы" (ООО "НПЦ "СЭС") (RU)

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 2 π 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

V T 1 = s i g n ( U a U o п ) + 1 2 V T 2 = s i g n ( U o п U a ) + 1 2 V T 3 = s i g n ( U b U o п ) + 1 2 V T 4 = s i g n ( U o п U b ) + 1 2 V T 5 = s i g n ( U c U o п ) + 1 2 V T 6 = s i g n ( U o п U c ) + 1 2

где s i g n ( x ) = x | x | - знаковая функция; Ua=kмод·sin(ω·r), U b = k м о д sin ( ω t 2 π 3 ) , U c = k м о д sin ( ω t + 2 π 3 ) - напряжение управления; kмод - коэффициент модуляции; ω - частота напряжения управления; U о п = 2 π arccos ( cos ( ω 1 t + π 2 ) ) 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 π 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 π 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

V T 1 = s i g n ( U a U o п ) + 1 2 V T 2 = s i g n ( U o п U a ) + 1 2 V T 3 = s i g n ( U b U o п ) + 1 2 V T 4 = s i g n ( U o п U b ) + 1 2 V T 5 = 0 V T 6 = 0 V T 9 = s i g n ( U 0 U o п ) + 1 2 V T 10 = s i g n ( U o п U 0 ) + 1 2

при этом Ua=kмод·sin(ω·t), U b = k м о д sin ( ω t π 3 ) , U0=0.

В результате чего на выходе преобразователя частоты 7 формируются потенциалы φ0=0, φu=Uном·kмод·sin(ω·t), ϕ v = U н о м k м о д sin ( ω t π 3 ) , при этом напряжения на рабочих фазах двигателя равны Uu0u0, Uv0v0.

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.



 

Похожие патенты:

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение нагрузки по напряжению.
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при распознавании загрязнения и/или образования росы на компонентах преобразователя частоты переменного тока с промежуточным контуром напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в регулируемом трехфазном электроприводе, выполненном на основе надсинхронного вентильного каскада, асинхронного вентильного каскада или двигателя двойного питания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения синхронного электродвигателя транспортного средства. Технический результат заключается в том, чтобы не допускать генерирование опасного перенапряжения коммутации, связанного с переключением размыкающего контактора электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в широкорегулирумых трехфазных асинхронных электроприводах с обеспечением свойства живучести в аварийном двухфазном режиме для электроприводов как вращательного, так и поступательного движения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления с полупроводниковыми преобразователями частоты для электротехнологии.

Изобретение относится к области электросвязи. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе питания с двумя последовательно соединенными инверторами (А, В), предназначенной для питания электромеханического привода.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях высокой мощности, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT).

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к реверсивным инверторам напряжения для преобразования постоянного напряжения в переменное, допускающими неисправности в виде короткого замыкания или размыкания цепи, и к способам управления такими инверторами. Инвертор напряжения содержит: - нагрузку (1), имеющую три фазы (2, 3, 4), при этом каждая фаза имеет первый контакт (5, 6, 7) и второй контакт (8, 9, 10); - первую и вторую ячейки (12, 13), каждая из которых содержит три параллельно соединенных между собой плеча, при этом каждое плечо содержит два последовательно соединенных средства (Q1/Q4, Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12) переключения и среднюю точку (20, 21, 22, 23, 24, 25), расположенную между двумя средствами (Q1/Q4, Q2/Q5, Q3/Q6, Q7/Q10, Q8/Q11, Q9/Q12) переключения, при этом каждый первый контакт (5, 6, 7) каждой из фаз соединен с одной из средних точек (20, 21, 22) первой ячейки (12), и каждый второй контакт (8, 9, 10) каждой из фаз соединен с одной из средних точек (23, 24, 25) второй ячейки (13), - источник (11) напряжения, при этом первая и вторая ячейки подключены, каждая, к источнику постоянного напряжения через два средства (Q13, Q14, Q15, Q16) электрической изоляции. 7 н. и 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления преобразователями. Технический результат - обеспечение компенсации нежелательного насыщения трансформатора преобразователя в течение короткого времени. В способе управления преобразователем, содержащем преобразовательный блок (1) и трансформатор (2) с по меньшей мере одним комплектом (3) из первичной обмотки (4) и вторичной обмотки (5), причем преобразовательный блок (1) со стороны переменного напряжения соединен с первичной обмоткой (4) соответствующего комплекта (3) обмоток, для компенсации нежелательного магнитного насыщения трансформатора (2) к первичной обмотке (4) соответствующего комплекта (3) обмоток посредством преобразовательного блока (1) целенаправленно прикладывается постоянное напряжение (ucomp). 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях электрической энергии. Техническим результатом является обеспечение защиты от перегрузки электрических аппаратов, потребляющих мощность, превышающую номинальную мощность преобразователя электрической энергии. Способ эксплуатации преобразователя (3), предназначенного для подачи электрической мощности на нагрузку (2), включает этапы: управление преобразователем (3) в течение предусмотренного времени перегрузки так, чтобы мощность перегрузки подавалась на нагрузку (2); управление преобразователем в течение предусмотренного времени покоя так, чтобы мощность покоя подавалась на нагрузку (2), причем мощность перегрузки является более высокой, чем номинальная мощность, которая соответствует предельной величине мощности преобразователя (3) при работе в установившемся режиме, а мощность покоя является более низкой, чем номинальная мощность. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх