способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя

Формула изобретения

Способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя, заключающийся в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из n фаз преобразователя частоты и электродвигателя, в случае обнаружения отказа в одной из фаз в системе управления вентильным электродвигателем формируют задания на фазные токи таким образом, чтобы фаза токов оставалась неизменной, а амплитуда менялась по закону:

,

где F( ) - некоторая периодическая функция, определяющая форму ЭДС;

- угол поворота ротора в электрических градусах;

n - количество секций;

i - номер секции многофазного вентильного двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых вентильных электроприводах, в частности в электроприводах для управления запорной арматурой в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя для механизмов космических станций с высокоточным управлением (Fault-tolerant permanentmagnet machine drives / Mecrow B.C., Jack A.G., Haylock J.A., Coles J. // IEE Proc.Elec. Power Appl. [IEE Proc. B]. - 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 обеспечения живучести вентильного электропривода (А.с. СССР № 1746482, МКИ³ Н02Р 7/42. Опубл. в БИ № 25, 1992), 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 /3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущей силы в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным /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.

Из уровня техники известен способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя (патент РФ № 2311721 МПК Н02Р 6/12. Опубл. в БИ № 33, 2007), выбранный в качестве прототипа, который заключается 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 /3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки , определяемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении = /2 в трехфазном режиме на угол нагрузки , определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении = /6 в двухфазном режиме.

Недостатком этого технического решения является то, что алгоритм действий приведен только для трехфазного двигателя и этот алгоритм достаточно сложный, а общее решение для многофазного двигателя не приводится. Также при выходе из строя одной из фаз падает частота вращения и вращающий момент, что в некоторых исполнительных устройствах неприемлемо. Указанный способ в действительности может не обеспечивать уменьшение потребляемого тока при уменьшении момента, так как вследствие несимметрии двухфазного режима по отношению к трехфазному для создания того же момента требуется значительное увеличение тока.

Техническим результатом является обеспечение живучести многофазного вентильного двигателя, выполненного с микроконтроллерной системой управления, при аварийном отключении одной из фаз путем формирования оставшихся фазных токов с сохранением заданной скорости вращения и вращающего момента.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя, согласно изобретению, на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из n фаз преобразователя частоты и электродвигателя, в случае обнаружения отказа в одной из фаз в системе управления вентильным электродвигателем формируют задания на фазные токи таким образом, чтобы фаза токов оставалась неизменной, а амплитуда менялась по закону:

,

где F( ) - некоторая периодическая функция, определяющая форму ЭДС; - угол поворота ротора в электрических градусах; n - количество фаз; i - номер секции многофазного вентильного двигателя.

Таким образом, получена необходимая амплитуда токов, которая обеспечивает постоянство мощности на выходном валу электрической машины при выходе из строя одной из фаз.

Для этого рассмотрена мгновенная мощность вентильного двигателя в относительных единицах в аварийном режиме. Для того чтобы мощность оставалась постоянной и равной n/2, где n - число фаз двигателя, необходимо формировать по определенному закону токи оставшихся фаз двигателя. При этом в зависимости от угла поворота ротора меняется амплитуда фазных токов.

Рассмотрено достижение технического результата на примере 3-фазного двигателя, каждая из фаз которого сдвинута в пространстве на 120 градусов и питается от своего инвертора напряжений.

Мгновенное значение электромагнитной мощности двигателя определяется выражением

где e₁, e₂, e ₃ - соответственно мгновенные значения фазных ЭДС, i ₁, i₂, i₃ - мгновенные значения фазных токов.

Для случая что фазные ЭДС и ток двигателя изменяются по синусоидальному закону, тогда в соответствии с теорией электромеханического преобразования энергии для обеспечения максимального КПД необходимо, чтобы ток в каждой фазной обмотке совпадал по фазе с ЭДС, то есть имеем:

где = ·t - угол поворота ротора в электрических градусах; =Const скорость вращения ротора, t - время.

Если представить ЭДС и токи в относительных единицах, приняв в качестве базовых величин e_m и i_m, а базовая мощность записывается выражением Р_б=e_m·i _m, тогда относительная мгновенная мощность двигателя записывается выражением

Согласно теореме о сумме квадратов синусов (косинусов):

Тогда относительная мощность в нормальном рабочем режиме для трехфазного вентильного двигателя определяется по выражению:

Для случая выхода из строя третьей фазы мощность рассчитана следующим образом:

Из уравнения (6) следует, что мощность на выходном валу двигателя не будет являться величиной постоянной. Поэтому необходимо найти такие значения ЭДС и токов, чтобы мощность была постоянной, тогда неизменными при этом остаются величины скорости и момента. Если значение скорости неизменно, то значение ЭДС по амплитуде и фазе тоже неизменно и единственный параметр, которым можно управлять - токи оставшихся фаз. Тогда уравнение для мощности примет вид:

Из уравнения видно, что для сохранения постоянства мощности двигателя можно управлять только токами двух оставшихся фаз двигателя.

Принимаются относительные значения токов в следующем виде:

где А₁( ) и А₂ ( ) - амплитуды токов, зависящие от угла поворота ротора.

Общее в уравнениях (2) и (8) - только фаза, тогда как амплитуда токов для уравнения (2) равна 1, а для уравнения (8) изменяется, чтобы поддержать постоянную мощность на выходе. Уравнение (7) будет выглядеть так:

Одно уравнение - два неизвестных. Необходимо дополнить еще уравнением или произвести упрощения. Проведем небольшое упрощение, приняв равными амплитуды токов: А₁( )=А₂( )=А( ), тогда

Таким образом, получена необходимая амплитуда токов (фиг.1), которая обеспечивает постоянство мощности на выходном валу электрической машины при выходе из строя одной из фаз. В соответствии с (8) токи определяются следующим образом (фиг.2).

Формирование фазных токов для поддержания параметров нормального рабочего режима электропривода происходит с минимальными потерями мощности в двухфазном аварийном режиме, по сравнению с другими способами управления токами в аварийных ситуациях.

На фиг.1 представлен график изменения относительного значения амплитуд токов в зависимости от угла поворота ротора в электрических градусах для случая трехфазного вентильного двигателя в аварийном двухфазном режиме.

На фиг.2 представлены графики относительных значений функций токов в зависимости от угла поворота ротора в электрических градусах для случая трехфазного вентильного двигателя в аварийном двухфазном режиме.

На фиг.3 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления, позволяющая реализовать программное управление всеми режимами вентильного двигателя.

Ниже приведены общие уравнения в относительных единицах для определения амплитуды и токов работоспособных фаз в общем случае для многофазного двигателя, где А( ) - амплитуда токов секций; i_i( ) - ток i-ой секции: - угол поворота ротора в электрических градусах; n - количество секций; i - номер секции многофазного вентильного двигателя.

Следует отметить, что такой способ формирования тока может быть использован и при несинусоидальной ЭДС, тогда функция формирования амплитуды и токов секций получает вид:

где F( ) - некоторая периодическая функция, определяющая форму ЭДС.

Предложенный способ осуществлен с помощью следующей схемы, изображенной на фиг.3, где трехфазный вентильный двигатель 1 (ВД) через датчики тока 2, 3 и 4 подключен к мостовым инверторам 5, 6 и 7, входы которого связаны с микроконтроллером 8 (МК).

Выходы датчиков тока 2, 3 и 4 подключены к МК 8. На валу ВД 1 установлен датчик положения 9 (ДП), выход которого подключен к МК 8. Задание режима работы выполнено с помощью электронной вычислительной машины 10 (далее по тексту ЭВМ 10), подключенной к МК 8 посредством цифровых каналов связи.

В качестве ВД 1 может использоваться любой трех- или многофазный вентильный электродвигатель с возбуждением от постоянных магнитов. В качестве датчиков тока 2, 3 и 4 могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой либо низкоомный шунт с микросхемой преобразования. ДП 9 реализован в виде датчика положения, обеспечивающего векторное управление вентильного двигателя, например типа BE-178А. МК 8 использован серийно выпускаемый, выполненный на основе микроконтроллера серии Mega фирмы Atmel. Мостовые инверторы 5, 6 и 7 могут быть выполнены либо отдельными стандартными двухфазным модулями, либо собраны из МОП или IGBT-транзисторов.

Функцию блока диагностики совмещает в себе МК 8. Состояние фаз проверяется МК 8 по датчикам тока 2, 3 и 4, а состояние мостовых инверторов 5, 6 и 7 оценивается также по значению датчиков тока 2, 3 и 4 и вектору управления инверторами 5, 6 и 7.

Для проверки обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя описанное выше устройство работает следующим образом. Сигнал задания на частоту вращения или на угол поворота формируется в ЭВМ 10 и передается по цифровым каналам связи МК 8. Из ДП 9 поступает сигнал, на основании которого с помощью широтно-импульсной модуляции формируются фазные токи, синусоидально-распределенные при нормальном режиме работы. При обнаружении МК 8 неисправности в одной из фаз, токи в двух оставшихся фазах формируют согласно вышеприведенному закону (11) и фиг.2 и обеспечивают сохранением заданной скорости вращения и вращающего момента.

Таким образом, заявленный способ обеспечения живучести многофазного вентильного двигателя позволяет обеспечить минимальную величину пульсаций электромагнитного момента и частоты вращения за счет использования принципа векторного управления в нормальном режиме, а в случае обнаружения отказа в одной из фаз в системе управления вентильным электродвигателем формируют задания на фазные токи таким образом, чтобы фаза токов оставалась неизменной, а амплитуда менялась по закону (12) при синусоидально распределенной ЭДС или (13) при любой форме ЭДС, при этом величины электромагнитного момента и частоты вращения остаются неизменными.