цепь электропитания высокоскоростного электропривода

Формула изобретения

1. Система управления мощностью электропривода с по меньшей мере одним магнитным подшипником, содержащая

основной источник электропитания,

шину линии связи постоянного тока, подключенную к основному источнику электропитания и предназначенную для подачи энергии для электропривода и для электропривода подшипника,

контроллер электропривода,

контроллер подшипника,

управляющий контроллер, связанный с контроллером подшипника,

преобразователь постоянного тока, снабжаемый энергией от шины линии связи постоянного тока и предназначенный для подачи низкого напряжения на контроллер электропривода, контроллер подшипника и управляющий контроллер,

причем управляющий контроллер предназначен для приема сигналов от контрольного устройства переменного тока и от конденсатора, подключенного через шину линии связи постоянного тока, и передачи сигналов контроллеру электропривода, который обеспечивает управление переключателями, соединяющими обмотку электропривода с шиной линии связи постоянного тока в соответствии с положением ротора электропривода, причем каждый переключатель имеет параллельный диод полярности, противоположной току электропривода во время нормальной работы основного источника электропитания,

при этом в случае сигналов отказа, поступающих от контрольного устройства энергии переменного тока, либо сигналов падения напряжения через конденсатор все переключатели выключаются и существующий ток в обмотке электропривода протекает через соответствующие диоды к шине линии связи постоянного тока, обеспечивая немедленное повышение напряжения шины линии связи постоянного тока, а в случае падения напряжения в шине линии связи постоянного тока два переключателя замыкаются для закорачивания обмотки электропривода и немедленной инициации потока тока через нее и, когда поток тока достигает заданной величины, переключатели выключаются, в результате чего напряжение обмотки повышается выше напряжения шины линии связи постоянного тока и генерируемый ток накачивается обратно в конденсатор.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что обеспечена возможность избирательного переключения переключателей, чтобы обеспечить подачу тока, генерируемого в обмотке электропривода, в одном направлении в шину линии связи постоянного тока только тогда, когда напряжение обмотки выше, чем напряжение шины линии связи постоянного тока.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что указанный переключатель содержит первый и второй переключатели, подключенные между первым выводом обмотки электропривода и положительной и отрицательной сторонами шины линии связи постоянного тока соответственно и третий и четвертый переключатели, подключенные между вторым выводом обмотки электропривода и положительной и отрицательной сторонами шины линии связи постоянного тока соответственно, причем параллельный диод подключен через каждый переключатель для противодействия нормальному току электропривода.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что либо первый и третий, либо второй и четвертый переключатели включаются для генерирования тока в обмотке электропривода и немедленно, когда желаемый ток генерируется, переключатели выключаются, в результате чего напряжение обмотки повышается выше напряжения шины линии связи постоянного тока и ток протекает в шину линии связи постоянного тока.

5. Система по п.4, отличающаяся тем, что переключатели находятся в разомкнутом положении при обнаружении нарушения энергоснабжения, так что существующий ток электропривода протекает через соответствующие диоды и в шину линии связи постоянного тока для повышения напряжения шины линии связи постоянного тока, а когда напряжение шины линии связи постоянного тока падает, либо первый и третий, либо второй и четвертый переключатели переходят в замкнутое положение для короткого замыкания обмотки электропривода и немедленно инициируют поток тока через нее, после чего переключатели размыкаются, заставляя напряжение обмотки повышаться выше напряжения шины линии связи постоянного тока, причем генерируемый ток подается в шину линии связи постоянного тока.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что конденсатор, подключенный между положительной и отрицательной сторонами шины линии связи постоянного тока, предназначен для определения напряжения через шину линии связи постоянного тока, причем конденсатор сохраняет энергию, подаваемую обратно от обмотки для вращения электропривода по инерции.

7. Способ вращения по инерции высокоскоростного электропривода постоянного тока с магнитными подшипниками в случае отказа основного источника электропитания, заключающийся в том, что

подают напряжение на электропривод и магнитные подшипники от шины линии связи постоянного тока, подключенной к основному источнику электропитания,

обеспечивают подачу энергии постоянного тока низкого напряжения от преобразователя постоянного тока к контроллеру магнитных подшипников и к контроллеру электропривода, используют переключатели для управления работой электропривода,

определяют отказ основного источника электропитания и подают сигнал на контроллер электропривода,

избирательно управляют переключателями,

на этапе избирательного управления переключателями первоначально осуществляют подачу существующего тока электропривода к шине линии связи постоянного тока, определяют, когда напряжение шины линии связи постоянного тока падает ниже заданного значения, осуществляют короткое замыкание обмоток электропривода, и, когда ток в обмотке электропривода достигает заданной величины, отменяют короткое замыкание обмоток электропривода, в результате чего напряжение обмоток повышается выше напряжения шины линии связи постоянного тока, подают результирующий генерируемый ток обратно к шине линии связи постоянного тока,

при этом повторяют избирательное управление переключателями, пока электропривод не будет вращаться по инерции.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно подключают конденсатор через шину линии связи постоянного тока и используют контрольное устройство энергии переменного тока для основного источника электропитания, а для обнаружения отказа основного источника электропитания либо определяют падение напряжения через конденсатор, либо регистрируют сигнал нарушения энергоснабжения контрольного устройства энергии переменного тока.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что переключающие устройства содержат переключатели IGBT, подключенные между каждым выводом обмотки электропривода и положительной и отрицательной сторонами шины линии связи постоянного тока соответственно, причем диод, подключен параллельно каждому переключателю, и диоды обеспечивают электроприводу возможность работы в качестве генератора и подавать ток в шину линии связи постоянного тока, чтобы конденсатор поддержал напряжение шины линии связи постоянного тока, пока электропривод не начнет вращаться по инерции.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к цепи электропитания для высокоскоростного электропривода и, в частности, к цепи электропитания для электропривода, использующего магнитные подшипники.

В публикации международной патентной заявки № WO 98/33260 раскрыт высокоскоростной электропривод, используемый в качестве электропривода компрессора охлаждения. Такой электропривод может использоваться, например, в компрессоре, описанном в патенте Австралии № 686174, где используются магнитные подшипники для подвески вращающихся частей.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сложности, возникающие при использовании магнитных подшипников, касаются снабжения энергией подшипников во время системного нарушения электроснабжения, во время которого отказывает источник электропитания для электропривода. В этом случае обычно используются вспомогательные или резервные источники электропитания для системы, такие как батареи и т.п., но эти вспомогательные источники электропитания являются относительно дорогостоящими и требуют дополнительных переключающих органов управления, чтобы дать возможность дополнительному источнику принять на себя нагрузку, когда основной источник электропитания отключен. Кроме того, эти батареи имеют ограниченный срок службы и обычно подлежат замене каждые два года. Это добавляет существенные дополнительные издержки для системы.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание системы электропитания для высокоскоростного электропривода, вращающегося в магнитных подшипниках, который может поддерживать энергию в подшипниках в случае отказа основного источника питания.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы электропитания для непрерывного снабжения энергией магнитных подшипников высокоскоростного электропривода в случае отказа основного источника электропитания до остановки вращающихся частей.

Другой задачей настоящего изобретения является создание контроллера для высокоскоростного электропривода, который обеспечивает вращение ротора по инерции при регулируемых условиях.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание контроллера источника электропитания для высокоскоростного электропривода с магнитными подшипниками, относительно недорогого, который эффективен при работе и который обеспечивает по существу безотказный источник электропитания для магнитных подшипников.

Поставленная задача согласно изобретению решена путем создания системы управления электроприводом по меньшей мере с одним магнитным подшипником, содержащей преобразователь постоянного тока, запитываемый от шины линии связи постоянного тока, подключенной к основному источнику электропитания, причем шина предназначена для подачи энергии на электропривод и электропривод подшипника, а преобразователь обеспечивает подачу электропитания постоянного тока низкого напряжения для контроллера электропривода, контроллера подшипника и управляющего контроллера, который предназначен для мониторинга основного источника электропитания и связан с контроллером электропривода и контроллером подшипника таким образом, чтобы обеспечить работу электропривода как генератора в случае отказа основного источника электропитания и подачу энергии в шину линии связи постоянного тока для поддержания работы магнитного подшипника, указанная система управления электроприводом характеризуется тем, что элементы переключения схемы подключены к обмотке электропривода и обеспечена возможность их избирательного переключения так, чтобы ток, генерируемый в обмотке электропривода, протекал в одном направлении в шину линии связи постоянного тока только тогда, когда напряжение обмотки больше напряжения шины линии связи постоянного тока.

Изобретение предпочтительно предназначено для использования в высокоскоростном электроприводе, ротор которого поддерживается исключительно магнитными подшипниками. Изобретение может быть использовано для электропривода с комбинацией магнитных и газодинамических подшипников.

Предпочтительно шина линии связи постоянного тока содержит по меньшей мере один конденсатор, который при нормальном использовании поддерживается в заряженном состоянии основным источником электропитания. Конденсатор обеспечивает достаточную энергию в сочетании с энергией от электропривода, работающего как генератор, для вращения по инерции электропривода от полной скорости и поддержания работы магнитных подшипников во время периода вращения по инерции. При работе электропривода как генератора во время вращения по инерции происходит забор кинетической энергии, запасенной в электроприводе и других вращающихся частях, и обеспечивает электрический тормоз для быстрой и надежной остановки вращения ротора. Во время вращения по инерции энергия продолжает подаваться от электропривода, работающего как генератор, к шине линии связи постоянного тока, которая служит непрерываемым источником электропитания для преобразователя постоянного тока и нескольких контроллеров, а также электропривода магнитного подшипника для всего периода вращения по инерции.

В соответствии с другим аспектом изобретения поставленная задача решена путем создания способа вращения по инерции высокоскоростного электропривода постоянного тока на магнитных подшипниках в случае отказа основного источника электропитания, заключающегося в том, что подают напряжение на электропривод и магнитные подшипники от шины постоянного тока высокого напряжения, подключенной к основному источнику электропитания, обеспечивают подачу от преобразователя постоянного напряжения постоянного тока низкого напряжения к контроллеру магнитного подшипника и к контроллеру электропривода, используют переключающие устройства для управления работой электропривода, определяют отказ основного источника электропитания и подают сигнал на контроллер электропривода, указанный способ характеризуется тем, что переключающими устройствами избирательно управляют для обнаружения упомянутого отказа, для первоначальной подачи имеющегося тока электропривода к шине, определяют, когда напряжение шины падает ниже заданного значения, и закорачивает обмотку электропривода и при обнаружении тока в обмотке в результате короткого замыкания, устраняют короткое замыкание, в результате напряжение обмотки повышается выше напряжения шины, подают результирующий генерированный ток обратно в шину, и повторяют избирательное управление, пока электропривод не будет вращаться по инерции.

Согласно одному варианту осуществления изобретения система управления мощностью содержит множество переключателей для переключения мощности между двумя полярностями шины постоянного тока и каждым выводом обмотки электропривода для переключения тока через обмотку. Каждый переключатель имеет подключенный параллельно диод. При обнаружении отказа мощности, потребляемой от сети, например, посредством измерения падения напряжения через шину, все переключатели переключаются в положение «выключено» и ток в катушке электропривода подается к шине. Когда напряжение в шине опять падает, обмотка электропривода закорачивается посредством замыкания соответствующих переключателей и затем открывается, чтобы ток, генерированный посредством закорачивания обмотки, поступал в шину через диоды.

Этот способ управления использует существующие переключатели IGBT управления электроприводом для реализации функции генератора электропривода, когда напряжение шины падает. При использовании этой системы управления нет необходимости отслеживать положение ротора и контрольное переключение как функцию положения ротора. Диоды обеспечивают возможность работы электропривода как генератора со всеми переключателями в открытом положении и током, накачиваемым в шину для поддержания установленного конденсатора для поддержания напряжения шины, пока электропривод не будет вращаться по инерции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Далее изобретение поясняется описанием предпочтительного варианта его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1 изображает блок-схему системы управления мощностью согласно изобретению;

фиг.2 изображает электрическую схему цепи с контрольными переключателями для однофазного электропривода согласно изобретению;

фиг.3 изображает блок-схему последовательности шагов при управлении системой согласно изобретению.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система 12 (фиг.1) управления мощностью подключена к источнику 14 электропитания трехфазного переменного тока через мостовой выпрямитель 16. По шине 17 линии связи постоянного тока энергия подается к преобразователю 18 постоянного напряжения, электроприводу 19 магнитных подшипников и источнику 21 электропитания электропривода. Большой конденсатор 22 или батарея конденсаторов подключена через шину 17 линии связи для обеспечения буфера хранимой энергии для вращения электропривода по инерции. В этом варианте осуществления напряжение шины линии связи постоянного тока составляет 1000 В, и конденсатор или несколько конденсаторов будут иметь емкость, достаточную для вращения электропривода по инерции, в течение от около 0,1 с до около 1,5 с в отсутствие какого-либо другого источника электропитания.

Преобразователь 18 постоянного напряжения обеспечивает энергию постоянного тока низкого напряжения для контроллера 23, контроллера 24 подшипника и управляющего контроллера, в качестве которого в этом варианте осуществления использован компьютер 26. С преобразователя 18 энергия низкого напряжения подается для различных датчиков, связанных с магнитными подшипниками, и для биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) (не показаны), которые используются для управления в электроприводе 19 магнитных подшипников и источнике 21 электропитания электропривода. Электропривод 19 магнитных подшипников и связанные IGBT и источник 21 электропитания электропривода и связанные с ним IGBT известны в данной области техники и не будут описываться подробно. Сигналы возбуждения затвора для различных IGBT генерируются контроллером 24 подшипника и контроллером 23 электропривода соответственно для обеспечения желаемых рабочих параметров для подшипников электропривода.

Контрольное устройство 27 энергии переменного тока обеспечивает сигнал к управляющему компьютеру 26 в случае отказа основного источника 14 электропитания переменного тока. Альтернативно управляющий компьютер 26 может контролировать напряжение шины через преобразователь 18 постоянного напряжения для обнаружения нарушения энергоснабжения, которое приводит к падению напряжения через конденсатор 22. При обнаружении нарушения энергоснабжения контроллер 23 электропривода управляет IGBT для подачи существующего тока электропривода к шине линии связи постоянного тока и затем для открытия обращений тока обмотки электропривода относительно магнитного поля электропривода, при этом происходит обращение электропривода в генератор.

Переключатели 28 (фиг.2) IGBT, которые управляются электроприводом 23, подключают обмотку 29 электропривода к шине 17 постоянного тока в соответствии с положением ротора. Хотя на фиг.2 показаны четыре переключателя 28, в конструкции трехфазного электропривода имеется шесть переключателей 28.

Каждый переключатель 28 имеет параллельный диод 31, полярность которого противоположна полярности тока электропривода. Когда отказ энергии детектируется либо мощным контрольным устройством 27, либо путем детектирования падения напряжения через конденсатор 22, все переключатели выключаются или размыкаются, и существующий ток в обмотке 29 электропривода течет через соответствующие диоды 31 к шине 17. Это обеспечивает немедленное повышение напряжения шины, и когда напряжение шины опять падает, два переключателя SW1 и SW3 или SW2 и SW4 замыкаются для закорачивания обмотки 29 электропривода и немедленной инициации потока тока через нее. Когда ток определяется как результат короткого замыкания, переключатели опять выключаются, в результате чего напряжение обмотки повышается выше напряжения шины и генерируемый ток накачивается обратно к конденсатору 22.

В этой конструкции не является необходимым для системы управления знать напряжение внутри обмотки 29 электропривода или относительное положение ротора. Генерируемый ток в обмотке 29 электропривода может идти только в одном направлении через диоды 31 в шину постоянного тока и только тогда, когда напряжение обмотки выше напряжения шины 17 постоянного тока.

Когда обнаружено нарушение энергоснабжения, приводятся в действие переключатели под управлением контроллера 23 электропривода для обеспечения того, что электропривод работает как генератор во время отказа энергии или пока электропривод не вращается по инерции.

Мощность, развиваемая электроприводом/генератором 21, подается в шину 17 линии связи постоянного тока для поддержания источника электропитания для магнитных подшипников 18. Путем направления энергии от электропривода 21 ротор электрически тормозится, что забирает потенциально опасную кинетическую энергию от вала ротора. Мощность, генерируемая во время вращения по инерции вместе с мощностью, хранимой в конденсаторе 22, поддерживает снабжение энергией магнитных подшипников 18 и контроллеров 23 и 24 в течение достаточного времени, чтобы дать возможность электроприводу 21 и связанным вращающимся частям вращаться по инерции до остановки.

На фиг.3 представлена последовательность шагов способа управления программы управляющего контроллера 26 системы. Программа начинается на шаге 32 «обнаружено нарушение энергоснабжения», на этом шаге нарушение энергоснабжения обнаруживается либо мощным контрольным устройством 27, либо посредством детектирования падения напряжения через конденсатор 22. В этой точке переключатели 28 разомкнуты и электропривод работает как генератор - шаг 33 режима генератора, и при этом ток в обмотке 29 электропривода протекает к шине 17 через соответствующие диоды 31. На шаге 34 осуществляется управление переключателями 28 (IGBT) для подачи тока обратно к шине 17 и повышения напряжения шины. Переключатели 28 размыкаются, когда происходит изменение направления тока - шаг 35. Когда напряжение шины опять падает, на шаге 36 переключатели SW1 и SW3 или SW2 и SW4 замыкаются для закорачивания обмотки 29 электропривода. Если ток обмотки «выше, чем заданная величина» - шаг 37, то программа перемещается на шаг 40 выхода. Если ток обмотки не выше, чем заданная величина, то программа перемещается на шаг 38, которая вызывает размыкание переключателей SW1 и SW3 или SW2 и SW4 (пара, которая была ранее включена). Следующей точкой принятия решения является шаг 39, где контролируется подъем напряжения через шину, и если напряжение поднимается выше заданной величины, то тогда программа выходит с шага 40. Если подъем напряжения меньше, чем заданная величина, то программа возвращается на шаг 36 и повторяет эту процедуру.

В одном варианте воплощения изобретения, когда электропривод используется для управления компрессором охлаждения, управляющий компьютер, при обнаружении отказа, будет также работать для разгрузки компрессора.

Благодаря скорости электропривода, инерции вращающихся частей, связанных с электроприводом, и любой внешней нагрузки на электропривод время вращения по инерции составляет от 2 до 3 секунд. Посредством управления электроприводом 21 как генератором и подачи энергии к шине 17 линии связи постоянного тока заряд в конденсаторе 22 может поддерживаться в течение всего времени вращения по инерции. Посредством поддержания подачи энергии к магнитным подшипникам во время вращения по инерции удается избежать повреждения подшипников и электропривод может быть безопасно остановлен (технологический останов).