СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРЁХФАЗНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ
METHOD AND DEVICE FOR THREE-PHASE ELECTRIC MOTOR CONTROL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к управлению трехфазными двигателями переменного тока. В частности, настоящее изобретение относится к устройству и способу управления трехфазным двигателем переменного тока, в частности асинхронным двигателем, для осуществления привода механического устройства или механизма, которое или который не требует точного регулирования скорости. Настоящее изобретение пригодно для конкретного использования в области устройств, приводимых в действие электродвигателем, которые работают в режиме частых циклов пуска и торможения, и которые имеют переменную нагрузку. Примерами таких машин служат мешалки, подъемные краны, подъемники, машины центробежного литья и металлообрабатывающие машины. Настоящее изобретение также пригодно для использования в области непрерывно работающих механизмов, которые не требуют точного регулирования скорости, примерами которых являются насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры, эскалаторы и вентиляционное оборудование.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Трехфазные двигатели переменного тока, предназначенные для осуществления привода промышленных машин или оборудования, обычно имеют в статоре три обмотки и питаются от трехфазной электросети. Обмотки двигателя расположены симметрично и соединены с тремя питающими фазами по схеме "треугольника" (Δ) или "звезды" (Y). Соединение звездой или "Y" также известно как схема "Y-образная". Каждая из обмоток двигателя имеет первый конец и второй конец. В соединении треугольником (Δ) первый конец каждой обмотки соединен с вторым концом следующей обмотки таким образом, что указанные три обмотки соединяются в треугольник, причем три фазы питания подключаются в соответствующих вершинах треугольника. При соединении звездой (Y) первые концы всех указанных трех обмоток соединены вместе, и каждый соответствующий второй конец соединен с одной из фаз трехфазной сети питания.
[0003] Для улучшения пуска и энергоэффективности под нагрузкой трехфазные двигатели часто снабжаются управляющей электронной схемой, выполненной с возможностью переключения их обмоток с соединения звездой на соединение треугольником и наоборот.
[0004] Каждая обмотка двигателя может содержать одну или более катушек, соединенных последовательно, причем катушки распределены вокруг статора для получения вращающегося магнитного поля при подключении к трехфазной сети питания. Когда двигатель работает без механической нагрузки, ротор двигателя вращается с той же скоростью, что и вращающееся магнитное поле. Таким образом, частота сети питания определяет расчетную скорость синхронного двигателя. Когда двигатель осуществляет привод нагрузки, скорость вращения ротора немного меньше, чем скорость вращения вращающегося магнитного поля, и это явление известно как "скольжение".
[0005] В двигателе, который питается по схеме треугольника (Δ), через обмотки протекает более сильный ток по сравнению с двигателем, соединенным по схеме звезды (Y), и, таким образом, соединение звездой обычно используется для пуска подключенного напрямую двигателя с целью предотвращения перегрузки питающей электросети. После пуска, когда двигатель работает со своей расчетной скоростью или со скоростью, близкой к его расчетной скорости, обмотки двигателя переключают на соединение треугольником, чтобы двигатель мог работать с более высокой выходной мощностью. Переход в любом направлении между соединением звездой и соединением треугольником может быть выполнен как способом "открытого переключения", при котором питание на короткий период времени отключают от двигателя, и в этот период переключают схему соединения обмоток, так и способом "закрытого переключения", при котором обмотки переключаются с сохранением подачи питания. При таком "закрытом переключении" обычно возникает скачок мощности в двигателе во время процесса переключения.
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ
[0006] Для управления скоростью трехфазного двигателя применяются различные схемы управления, которые преобразуют частоту сети питания в более низкую частоту в пределах заданного диапазона и прикладывают эту преобразованную частоту к контактам двигателя для изменения расчетной скорости двигателя. Фактическая скорость вращения зависит от механической нагрузки и, следовательно, величины "скольжения", в результате чего путем регулировки частоты в соответствии с фактической скоростью вращения может быть успешно достигнута заданная скорость вращения в пределах определенного диапазона. Известно значительное количество литературных источников, в которых описаны такие частотно-регулируемые приводы (VFD), которые могут быть в общем классифицированы как имеющие естественную, принудительную или смешанную коммутацию.
[0007] Основные назначения применения контроллеров частотно-регулируемых приводов для приведения в действие трехфазных двигателей сводятся к их использованию для обеспечения точного управления скоростью, обеспечения постоянного энергопотребления в случае изменений нагрузки, а также обеспечения плавности и непрерывности вращения путем ограничения неравномерности вращения при работе двигателя.
[0008] Однако существенным недостатком контроллеров частотно-регулируемых приводов является их высокая стоимость и больше размеры, в частности, в высокомощных двигателях с мощностью более чем 100 кВт. Это происходит потому, что компоненты питания контроллеров частотно-регулируемых приводов имеют большие размеры и требуют преобразования большого количества энергии для выработки выходного напряжения. Большая часть современных контроллеров частотно-регулируемых приводов содержит системы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и управления для минимизации влияния контроллера частотно-регулируемого привода на питающую линию, а эти системы ШИМ требуют наличия высокочастотных фильтров и дорогих вентильных элементов, такие как транзисторы RGBT. Кроме того, если контроллер частотно-регулируемого привода не обеспечен системами синхронизации двигателя с сетью питания, шунтирование контроллера может привести к большим скачкам тока, которые могут вызвать отказ двигателя.
[0009] Понижающие преобразователи частоты часто используются для преобразования входного волнового сигнала переменного тока в выходной волновой сигнал переменного тока более низкой частоты без необходимости промежуточного преобразования. Понижающие преобразователи частоты работают путем создания требуемого выходного волнового сигнала переменного тока из сегментов входного волнового сигнала переменного тока. Понижающие преобразователи частоты чаще всего находят применение в высокомощных выходных системах, таких как приводы переменной частоты с мощностью несколько мегаватт. В установках, в которых требуется постоянная глубокая настройка частоты вращения двигателя от нуля до номинального значения, использование преобразователей частоты в настоящее время рассматривается как не имеющее целесообразной альтернативы.
[0010] Однако существуют множество назначений применения электродвигателей в приводных механизмах, для которых не требуется точное управление скоростью вращения двигателя путем точной настройки частоты вращения. В таких назначениях применения существуют возможности снижения энергопотребления за счет повышения эффективности режимов их пуска и торможения, эпизодического регулирования их частоты вращения и способов сокращения энергопотребления во время режима работы с минимальной нагрузкой при расчетной (номинальной) частоте вращения, что почти невозможно достичь с использованием стандартных преобразователей частоты. Таким образом, использование вышеуказанных способов в большей части электроприводов, таких как приводы, используемые в мешалках, подъемных кранах, подъемниках, машинах центробежного литья, металлообрабатывающих машинах, погружных насосах, водоснабжающих центробежных насосах, вентиляторах, компрессорах, транспортерах, эскалаторах, теплохладотехнике (HVAC) и т.п., является экономически и технически неоправданным.
ЭКОНОМИЯ ЭНЕРГИИ ЗА СЧЕТ СИСТЕМ ПУСКА
[0011] Еще один эффективный способ снизить потребление электроэнергии состоит в отключении электродвигателя, когда он не требуется. Однако частая остановка и пуск двигателя могут привести к износу обмоток двигателя и повреждение их изоляции. Так называемые "устройства плавного пуска" используются для продления механической долговечности электропривода, который подвержен частым пускам и выключениям. Некоторые устройства плавного пуска оборудованы устройствами для согласования напряжения, предназначенными для выравнивания изменения статического крутящего момента нагрузки на валу во время пуска.
[0012] Эти системы плавного пуска уменьшают напряжение, приложенное к двигателю, для снижения пускового тока двигателя до величины, которая примерно в 2-4 раза меньше тока в номинальном режиме, и, соответственно, уменьшают пусковой крутящий момент. Это приводит к резкому снижению электрической перегрузки обмоток и, следовательно, уменьшает или предотвращает механическое ухудшение их изоляции. Кроме того, более низкие пусковые крутящие моменты уменьшают износ механических частей привода за счет снижении импульсных нагрузок.
[0013] Однако традиционная система плавного пуска имеет определенные недостатки, самые существенные из которых следующие:
1. Выделение значительного количества энергии в двигателе во время его пуска. Энергия двигателя в режиме плавного пуска почти всегда выше, чем в режиме прямого привода. Кроме того, условия охлаждения самовентилируемого двигателя значительно ухудшаются на более низких частотах вращения, так что более сильные пусковые токи вызывают выделение тепла в двигателе в то время, когда охлаждающая система двигателя меньше всего способна справляться с отводом этого тепла.
2. Недостаточно эффективный режим торможения. Когда частота вращения двигателя ниже синхронной то крутящий момент привода увеличивается. Торможение может быть осуществлено статической нагрузкой или механическим тормозом. Таким образом, при использовании традиционных пусковых устройств только повышается время торможения по сравнению со свободным путем торможения по причине частичной компенсации статического крутящего момента нагрузки, а не снижается.
3. Экономия энергии, не имеющая практической ценности. Причина этого явления в том, что снижение только амплитуды напряжения (без изменения частоты), подаваемого двигателю, путем регулирования угла открывания тиристоров устройства плавного пуска приводит к существенному увеличению потерь в двигателе за счет искажения формы напряжения. Таким образом, небольшая экономия энергии может быть достигнута только когда нагрузка на валу двигателя близка к нагрузке холостого хода.
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ЗА СЧЕТ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ С СОЕДИНЕНИЯ ЗВЕЗДОЙ НА СОЕДИНЕНИЕ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
[0014] Как указано выше, переключение соединения обмоток двигателя с соединения звездой на соединение треугольником или наоборот является эффективным способом уменьшения потребления энергии за счет того, что обмотки двигателя соединены звездой во время пуска для предотвращения перегрузки источника питания, и переключаются на соединение треугольником, когда двигатель работает с расчетной скоростью и должен вырабатывать большой крутящий момент. Двигатель переключают назад с соединения треугольником на соединение звездой, когда нагрузка уменьшается, и вновь на соединение треугольником, когда нагрузка опять увеличивается.
[0015] В патенте США №8,207,699 авторами настоящего изобретения описан способ уменьшения потребления энергии в трехфазном двигателе путем переключения двигателя с соединения звездой на соединение треугольником на основании измерения скорости вращения двигателя, тока, проходящего в двух обмотках двигателя, и статического крутящего момента нагрузки двигателя. Однако отслеживание этих параметров и переключение соединений, когда возникают заданные сочетания параметров, может привести к переключениям, выполняемым в точках цикла напряжения переменного тока, в которых возникают большие скачки тока, неблагоприятно воздействующие на двигатель.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0016] Настоящее изобретение решает техническую задачу снижения потребления энергии, в частности, в приводах с трехфазным электродвигателем, в которых не требуется точное управление скоростью, но которые работают под изменяющейся нагрузкой, путем создания усовершенствованного устройства и способов переключения обмоток асинхронных двигателей с "соединения звездой" на "соединение треугольником" и наоборот. Настоящее изобретение обеспечивает высокоэффективное, надежное и простое в использовании управляющее устройство для электродвигателя переменного тока, которое отличается низкой себестоимостью и небольшим размером. Также обеспечен способ управления переключением обмоток в электродвигателе переменного тока.
[0017] Настоящее изобретение решает эту техническую задачу путем:
1. Улучшения энергетической эффективности переключения обмоток двигателя с соединения звездой на соединение треугольником или наоборот путем выбора конкретного момента времени в трехфазном цикле для переключения обмоток на основании измерений параметров двигателя;
2. Сокращения или устранения бросков тока, вызванных переключением обмоток;
3. Обеспечения простого способа вычисления важных энергетических параметров двигателя, таких как электромагнитный крутящий момент Tem и ЭДС самоиндукции, в качестве основания для расчета переключения обмоток двигателя; и
4. Обеспечения эффективного режима торможения двигателя без изменения энергетической структуры системы при помощи новых принципов управления приводом как в динамическом режиме работы, так и в установившемся режиме работы.
[0018] Система управления согласно настоящему изобретению существенно повышает надежность и эффективность асинхронного двигателя при небольшом повышении ее стоимости и может широко применяться с приводами двигателей переменного тока, в которых точное управление скоростью не является обязательным.
[0019] Важным признаком способа управления двигателем переменного тока согласно настоящему изобретению является то, что обмотки двигателя переключаются в точно вычисленный момент времени во время цикла переменного тока на основании измерения ЭДС, электромагнитного крутящего момента двигателя и статического крутящего момента нагрузки на вал двигателя.
[0020] Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложены способы управления работой трехфазного двигателя для переключения между соединением звездой и соединением треугольником, как определено в пп. 1 и 13 формулы изобретения.
[0021] Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложен контроллер для управления работой трехфазного двигателя, как определено в п. 7 формулы изобретения.
[0022] Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предложен способ осуществления привода нагрузки посредством трехфазного электродвигателя, как определено в п. 11 формулы изобретения.
[0023] Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предложен способ определения мгновенной мощности, развиваемой трехфазным двигателем, как определено в п. 12 формулы изобретения.
[0024] Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предложены устройство и способы обеспечения торможения трехфазного двигателя, как определено в пп. 15-19 формулы изобретения.
[0025] Блок управления двигателем выполнен с возможностью соединения обмоток двигателя переменного тока звездой или треугольником в ответ на заданное сочетание условий энергосбережения привода. В отличие от всех известных способов переключения обмоток двигателя, согласно настоящему изобретению эти условия определяются на основании значения электромагнитного крутящего момента двигателя (Tem) в зависимости от частоты (n) вращения и статической нагрузки на вал. Это значит, что с течением времени использования электропривода с изменяемой нагрузкой достигается максимальный возможный экономический эффект. Более подробно предложенный способ описан ниже.
[0026] Настоящее изобретение обеспечивает возможность выполнения большого количества процедур пуска и остановки в течение короткого периода времени без нарушения синхронизации с сетью питания. Это обеспечивает высокоэффективное управление процессами, требующими, чтобы параметр процесса, например, давление или массовый поток газа или жидкости поддерживался по существу на постоянном уровне. Такое управление является типичным требованием к компрессорам и насосным станциям, оборудованным множеством двигателей, параллельно питаемых от единой мощной сети питания. Дополнительная особенность настоящего изобретения состоит в том, что предложенный способ может успешно использоваться в многоступенчатых установках, в которых один из блоков оборудован дорогой системой управления для обеспечения плавного регулирования параметров процесса (например, блок, имеющий контроллер частотно-регулируемого привода), тогда как остальные блоки оборудованы управляющим устройством, реализующим предложенный способ управления двигателем для переключения между соединением треугольником и соединением звездой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0027] Ниже подробно описаны варианты реализации настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
[0028] На ФИГ. 1 схематически показана трехфазная сеть питания, питающая двигатель, связанный с механической нагрузкой и управляющим блоком;
[0029] На ФИГ. 2 схематически показан управляющий блок, показанный на ФИГ. 1;
[0030] На ФИГ. 3 схематически показаны составляющие части управляющего блока, содержащие элементы для измерения напряжения сети питания и мгновенных значений фазного напряжения двигателя и фазного тока;
[0031] На ФИГ. 4а схематически показана блок-схема вычисления мгновенного значения фазы электромагнитной мощности (Pem) для одной фазы;
[0032] На ФИГ. 4b схематически показана блок-схема вычисления мгновенных значений ЭДС и электромагнитного крутящего момента двигателя;
[0033] На ФИГ. 5 схематически показана блок-схема вычисления для генерирования сигналов управления двигателем;
[0034] На ФИГ. 6 показан пример фазного тока одной фазы двигателя, которым управляет тиристорный (полупроводниковый) регулятор;
[0035] На ФИГ. 7 показан график приведенных в качестве примера зависимостей между электромагнитным крутящим моментом и скоростью вращения двигателя для двигателя, соединенного звездой "Y" и треугольником "Δ", а также приведенные в качестве примера зависимости между статическим крутящим моментом Т2 нагрузки и скоростью вращения для двух различных нагрузок;
[0036] На ФИГ. 8 показана блок-схема работы управляющего блока в пусковом режиме и установившемся режиме двигателя.
[0037] На ФИГ. 9 показана блок-схема работы управляющего блока в режимах торможения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0038] Обращаясь к чертежам, на ФИГ. 1 схематично показан трехфазный двигатель 1, питаемый от трехфазной сети 2 питания и механически соединенный с нагрузкой 3. Ротор двигателя 1 соединен посредством передачи 4 с механической нагрузкой 3.
[0039] В случае вращающейся нагрузки для преодоления инерции нагрузки 3 от двигателя 1 может потребоваться высокий крутящий момент во время фазы ускорения, но после раскручивания нагрузки до ее скорости вращения требуемый крутящий момент от двигателя может быть снижен. Когда вращение нагрузки замедляют, инерция нагрузки продолжит осуществлять "привод" двигателя во время этой фазы торможения.
[0040] Трехфазный двигатель 1 имеет три статорные обмотки и шесть контактов 5 на корпусе двигателя, каждый из которых соединен с соответствующим концом одной из обмоток статора. В показанном на чертеже варианте реализации три из контактов 5 соединены с соответствующими фазами трехфазной сети питания, и все контакты 5 соединены с управляющим блоком 6. В управляющем блоке 6 между контактами 5 выполнены переключаемые соединения для подключения трех обмоток статора двигателя 3 либо по схеме "звезда", либо по схеме "треугольник".
[0041] Обычно пуск двигателя выполняют по схеме соединения "звездой", и ускоряют нагрузку 3 до номинальной рабочей скорости. При использовании двигателя 1 для вращения нагрузки 3 крутящий момент, вырабатываемый двигателем, непрерывно отслеживают, и если требуемый крутящий момент становится ниже заданного первого порогового значения, обмотки двигателя переключаются в соединение звездой для уменьшения энергопотребления. Если требуемый крутящий момент увеличивается до второго порогового значения, которое может быть тем же самым, что и первое пороговое значение, или выше, чем первое пороговое значение, обмотки двигателя переключаются из соединения звездой в соединение треугольником, так что двигатель может вырабатывать более высокий крутящий момент при более слабом токе потребления двигателя.
[0042] Особенность настоящего изобретения состоит в том, что во время работы двигателя управляющий блок отслеживает разность фаз между напряжением сети питания и ЭДС двигателя и разрешает переключать питание двигателя с соединения звездой на соединение треугольником или наоборот только в случае, когда эти два вектора по существу выровнены по фазе. Именно такое выравнивание уменьшает пусковые токи в двигателе при переключении обмоток из соединения звездой в соединение треугольником или наоборот.
Управление двигателем
[0043] Управляющий блок 6 непрерывно отслеживает напряжение, передаваемое каждой линией трехфазной сети питания, и также непрерывно отслеживает напряжение и ток, протекающий в каждой из обмоток двигателя. В дискретных точках во время каждого цикла напряжения питания выполняют одновременные измерения фазных токов ia, ib и ic и фазных напряжений va, vb и vc и на основании выборок из этих измерений вычисляют значение мгновенной электромагнитной мощности Pem двигателя. На основании расчетного значения Pem, усредненного по одному или более циклам, и с учетом электрических характеристик двигателя и в случае необходимости также механических характеристик нагрузки, управляющий блок 6 переключает двигатель между соединением звездой и соединением треугольником, чтобы двигатель потреблял минимальное количество энергии.
[0044] На ФИГ. 2 подробно показан управляющий блок 6 согласно одному варианту реализации. Согласно данному варианту реализации трехфазная сеть питания подключена к трехфазному двигателю 1 через три питающих линии L1, L2 и L3. Устройства V1, V2 и V3 для измерения напряжения соединены с соответствующими из этих трех питающих линий для отслеживания линейных напряжений. Каждая из указанных трех питающих линий L1, L2 и L3 соединена с соответствующим входным контактом 5а на одном конце одной из обмоток двигателя.
[0045] Управляющий блок 6 содержит контактную колодку 7, имеющую шесть контактов Т1-Т6. Контакт Т1 соединен с входным контактом 5а первой обмотки (обмотки 1) двигателя. Контакт Т2 соединен с выходным контактом 5b первой обмотки двигателя. Схожим образом контакты Т3 и Т4 соединены с соответствующими концами обмотки 2 двигателя, и контакты Т5 и Т6 соединены с соответствующими концами обмотки 3 двигателя 1.
[0046] Контакты Т1, Т3 и Т5 непосредственно соединены с группой тиристоров 8, тогда как каждый из контактов Т2, Т4 и Т6 соединен с группой тиристоров 8 через устройство V4, V5, V6 для измерения напряжения и устройство C1, С2, С3 для измерения тока. Устройства V4, V5 и V6 для измерения напряжения соответственно измеряют фазные напряжения va, vb и vc в линиях фаз a, b и с, тогда как устройства С1, С2 и С3 для измерения тока измеряют соответствующие фазные токи ia, ib и ic в линиях фаз a, b и с. Выходы устройств V1-V6 для измерения напряжения и устройств С1-С3 для измерения тока подаются в процессор 9 управляющего блока 6.
[0047] Группа тиристоров 8 обеспечивает соединения между контактами 5а и 5b обмоток для обеспечения возможности соединения обмоток либо звездой, либо треугольником. Тиристорами управляет процессор через схему 10 драйвера тиристора, который передает сигналы для переключения тиристоров для соединения либо звездой, либо треугольником обмоток двигателя.
[0048] Электронное управляющее устройство 6 также содержит датчик 11 температуры, охлаждающее устройство 12 для охлаждения тиристоров и блок 13 питания, обеспечивающий энергию для управления тиристорами, а также для питания процессора и связанных с ним электронных схем.
[0049] Управляющий блок содержит запоминающее устройство 14 для управляющей программы, в котором хранится управляющий алгоритм, запоминающее устройство 15 для данных двигателя, в котором хранятся данные, касающиеся характеристик двигателя, и запоминающее устройство 16 для данных нагрузки, в котором хранятся данные, касающиеся механических характеристик нагрузки, привод которой осуществляется двигателем. Эти три запоминающих устройства 14, 15 и 16 соединены с процессором посредством интерфейса 17, который также соединен с блоком 18 ввода-вывода. Блок ввода-вывода может принимать и передавать информацию беспроводным способом через антенну 19 или может передавать и принимать данные посредством соединительного порта 20, такого как USB или другой подходящий соединитель. Информация, принятая от блока 18 ввода-вывода, может храниться в запоминающем устройстве 14 для управляющей программы, запоминающем устройстве 15 данных двигателя и/или запоминающем устройстве 16 данных нагрузки. Информация, хранящаяся в запоминающем устройстве 14 управляющей программы, запоминающем устройстве 15 данных двигателя и/или запоминающем устройстве 16 данных нагрузки, схожим образом может быть считана и извлечена через блок 18 ввода-вывода.
[0050] На ФИГ. 3 показано расположение тиристоров Th1-Th9 в группе тиристоров 8. Тиристоры делятся на две группы, обозначенные на ФИГ. 3 как группы TD и TY. Тиристоры Th1-Th6 образуют группу TD, которая содержит три пары антипараллельных или встречно соединенных тиристоров: Th1 и Th2; Th3 и Th4; и Th5 и Th6. Тиристоры Th7-Th9 соединены кольцеобразно и образуют группу TY. Когда тиристоры группы TD находятся в открытом состоянии, и тиристоры группы TY находятся в закрытом состоянии и, таким образом, не проводят ток, обмотки двигателя соединяются треугольником. Схожим образом, когда тиристоры группы TY находятся в открытом состоянии, и тиристоры группы TD находятся в закрытом состоянии и, таким образом, не проводят ток, обмотки двигателя соединяются звездой.
[0051] На ФИГ. 3 также более подробно показаны элементы процессора 9. Отслеживающее устройство 30 для отслеживания линейного напряжения принимает аналоговые сигналы напряжения от трех измерительных устройств V1, V2, V3, измеряющих напряжение, представляющих мгновенные значения напряжения в каждой из указанных трех питающих линий L1, L2 и L3.
[0052] Отслеживающее устройство 31 для отслеживания фазного напряжения принимает аналоговые сигналы напряжения от трех измерительных устройств V4, V5, V6 для измерения напряжения, которые обеспечивают непрерывные показания напряжения на каждой из обмоток двигателя.
[0053] Отслеживающее устройство 32 для отслеживания фазного тока принимает аналоговые сигналы тока от указанных трех устройств C1, C2 и С3 для измерения тока, которые обеспечивают непрерывные показания тока, протекающего в каждой из обмоток двигателя.
[0054] Одновременно проводится выборка аналоговых значений соответствующих напряжений и токов с интервалами, позволяющими вырабатывать ряд мгновенных значений токов и напряжений, и эти мгновенные значения подаются от отслеживающего устройства 30 линейного напряжения, отслеживающего устройства 31 фазного напряжения и отслеживающего устройства 32 фазного тока в координатный преобразователь 33.
[0055] Ниже описана работа координатного преобразователя 33 со ссылкой на ФИГ. 4а и 4b. На ФИГ. 4а схематично показано вычисление электромагнитной мощности Pem из мгновенных значений напряжения и тока в двух из указанных трех фаз. Для оценки простоты вычисления и понимания формы волны тока в обмотках двигателя во время каждого цикла частоты питания, ниже приведены пояснения со ссылкой на ФИГ. 6.
[0056] На ФИГ. 6 показаны зависимости между фазным током ia и временем в одной из обмоток двигателя (фаза а) двигателя, которым управляет тиристорный регулятор. Когда тиристоры регулятора полностью открыты, форма фазного тока двигателя близка к синусоидальной. Когда тиристоры регулятора периодически открываются для замедления двигателя, фазный ток принимает форму, подобную показанной на ФИГ. 6. В интервале 2 π цикла питания ток в обмотке двигателя первоначально является нулевым в течение короткого периода времени β, во время которого производная тока также равна нулю. Затем ток возрастает в измененной синусоидальной волновой форме, которая является результатом периодического открывания тиристоров регулятора для управления скоростью вращения двигателя. Эта следующая часть волнового сигнала имеет три локальных максимума, разделенных двумя особыми точками, перед возвращением к нулю для перехода к следующему интервалу β. Затем напряжение переходит в отрицательный полупериод, отражающий форму положительного полупериода (с тремя локальными минимумами) перед тем, как снова возвратиться к нулю.
[0057] Пунктирные вертикальные линии пронумерованные от 1 до 7, расположенные с промежутками в п/3, разбивают цикл на шесть равных частей. Линии 1 и 4 соответствуют моментам времени, когда фазный ток ia является нулевым, и производная фазного тока dia/dt также равна нулю, тогда как линии 2 и 3 соответствуют моментам времени, когда фазный ток ia имеет положительное значение, и производная фазного тока dia/dt равна нулю. Линии 5 и 6 соответствуют моментам времени, когда фазный ток ia имеет отрицательное значение, и производная фазного тока dia/dt равна нулю в одном из локальных минимумов.
[0058] Волновые сигналы фазного тока в зависимости от времени в других двухфазных обмотках двигателя являются подобными, но каждая фаза смещена на 2π/3 относительно других фаз. Таким образом, ток в фазе b равен нулю (что соответствует пунктиру 1), когда ток в фазе а имеет локальный максимум (т.е. di/dt=0), соответствующий пунктиру 3. В этот же момент времени ток в фазе с имеет локальный минимум, соответствующим пунктиру 5 (опять же di/dt=0).
[0059] Таким образом, во время каждого цикла сети питания имеются шесть моментов времени, когда одновременно ток в одном из фаз равен нулю, производная тока для этой фазы также равна нулю, и производные токов в проводах других двух фаз равны нулю. Эти шесть моментов времени соответствуют моментам времени, когда каждый из указанных трех фазных токов ia, ib и ic имеет значение, соответствующее положениям пунктиров 1 и 5 на ФИГ. 6.
[0060] Когда тиристоры регулятора полностью открыты для развития максимальной мощности двигателя, форма волнового сигнала фазного тока является приблизительно синусоидальной. Это значит, что имеются две точки, в которых фазный ток равен нулю, и две точки, в которых производная фазного тока равна нулю во время каждого цикла напряжения питания.
Вычисление мгновенного значения электромагнитной мощности Pem
[0061] Ниже описано вычисление электромагнитной мощности Pem (в воздушном зазоре двигателя). Электромагнитная мощность Pem может быть выражена как:
где:
ωо - угловая частота сети; и
Tem - электромагнитный крутящий момент.
[0062] Электромагнитная мощность Pem также может быть вычислена как скалярное произведение векторов ЭДС (е) и тока (i) статора с использованием уравнения:
где:
ex и еу - ортогональные компоненты ЭДС в статоре;
i1y и i1x - ортогональные компоненты тока статора.
[0063] Используя преобразование фазных токов и ЭДС в форме:
i1x=ia;
i1y=-(ib-ic)/√3;
ex=ea; и
ey=-(eb-ec)/√3,
где:
ia - фазный ток в обмотке а двигателя;
ib - фазный ток в обмотке b двигателя;
ic - фазный ток в обмотке с двигателя;
еа - фазная ЭДС в фазе а;
eb - фазная ЭДС в фазе b; и
ec - фазная ЭДС в фазе с.
[0064] Путем удаления переменных в одной из фаз (например, фазе "с") уравнение (2) может быть сокращено до:
[0065] Фазные ЭДС еа, eb и ec для каждой из этих трех фаз определяются следующим образом:
где:
va - фаза напряжения в фазе а;
vb - фаза напряжения в фазе b;
vc - фаза напряжения в фазе с;
r1 - сопротивление статора; и
L1 - индуктивность рассеяния обмоток статора.
[0066] Для упрощения вычислений электродвижущая сила фазы и электромагнитный крутящий момент двигателя могут быть вычислены на основании измерений напряжения и тока, выполненных в конкретных точках цикла напряжения, в которых один из фазных токов равен нулю, и производные этого фазного тока и одного другого фазного тока равны нулю или близки к нулю. Например, если выбран момент времени, когда фазный ток в фазе b равен нулю, производная фазного тока в фазе b равна нулю, и производная фазного тока в фазе а равна нулю, т.е. ib=0, dib/dt=0, и dia/dt=0, уравнения (5а) и (5b) упрощены до:
и уравнение (4) упрощено до:
[0067] Эти моменты времени соответствуют положениям пунктиров 1 и 4 на ФИГ. 6. Электромагнитная мощность Pem, таким образом, пропорциональна крутящему моменту двигателя в указанные моменты времени, когда фазный ток в одной фазе и его производная равны нулю, и производная фазного тока в одной из других двух фаз также равна нулю. Pem, таким образом, может быть вычислена очень просто на основании измерения фазного тока и фазного напряжения, взятого в эти моменты времени, и электромагнитный крутящий момент Tem также может быть вычислен просто на основании измерений скорости вращения, выполненных в тот же момент времени, и расчетного значения Pem.
[0068] То, как происходит вычисление параметров двигателя на основании этих мгновенных измерений, показано на ФИГ. 4а и 4b. На ФИГ. 4b показан селектор 117, который принимает непрерывные измерения каждого из указанных трех фазных токов ia, ib и ic от указанных трех устройств C1, С2 и С3 для измерения тока. Селектор 117 также принимает непрерывные измерения каждого из указанных трех фазных напряжений va, vb и vc от трех измеряющих напряжение устройств V4, V5 и V6. Селектор дополнительно может содержать процессор, который может обеспечивать непрерывные измерения производных dia/dt, dib/dt и dic/dt указанных трех фазных токов ia, ib и ic, например, вычислением разностей между парами последовательных выборочных значений фазного тока и делением этих разностей на временной интервал между выборками.
[0069] Селектор 117 может непрерывно отслеживать указанные три фазных тока ia, ib и ic и производные этих трех фазных токов по времени, и обнаруживать условие, при котором один из фазных токов и его производная равны нулю, и производная другого из фазных токов равна нулю, и в течение этого момента времени передавать сумматору 118 измерения фазного напряжения той фазы, ток которой равен нулю, и измерения фазного напряжения и фазного тока той фазы, производная фазного тока которой равна нулю.
[0070] Согласно еще одному варианту реализации селектор 117 может принимать управляющий сигнал от основного контроллера 34 в конкретной точке цикла, которая может соответствовать одной из линий 1-6 на ФИГ. 6, и в этот момент времени селектор 117 может определять на основании значений фазных токов и производных фазных токов, существует ли условие, при котором один из фазных токов и его производная равны нулю, и производная другого из фазных токов равна нулю, и если такое условие существует, селектор 117 может передавать сумматору 118 результаты измерений фазного напряжения той фазы, ток которой равен нулю, и результаты измерений фазного напряжения и фазного тока той фазы, производная фазного тока которой равна нулю.
[0071] В любом случае если обнаружен момент времени, в который один из этих трех фазных токов и его производная равны нулю, и производная одного из других фазных токов равна нулю, селектор передает сумматору 118 мгновенные значения следующих величин:
фазного напряжения той фазы, ток которой равен нулю;
фазного напряжения той фазы, производная фазного тока которой равна нулю; и
мгновенное значение фазного тока той фазы, производная тока которой равна нулю.
[0072] Значение фазного тока в фазе, производная тока которой равна нулю, также передается умножителю 119 для завершения вычисления Pem с использованием результата, вычисленного сумматором 118.
[0073] Например, если селектор 117 обнаруживает, что:
фазный ток ia в фазе а равен нулю; и
производная dia/dt фазного тока в фазе а равна нулю; и
производная dib/dt фазного тока в фазе b равна нулю,
что имеет место, например, когда фаза а в момент времени цикла, показанный пунктиром 1 на ФИГ. 6, и, следовательно, фаза b таковы, как и в положении, указанном пунктиром 3 на ФИГ. 6, после чего селектор передает сумматору 118 мгновенные значения следующих величин:
фазного напряжения va фазы а;
фазного напряжения vb фазы b и
фазного тока ib в фазе b.
[0074] Затем сумматор 118 может вычислять значения для еа и eb с использованием соответствующих двух из трех уравнений 5а, 5b и 5с в зависимости от того, значения каких уравнений передаются сумматору 118 от селектора 117. В примере предыдущего параграфа селектор передает значения va, vb и ib, и сумматор использует уравнения 5а и 5b.
[0075] В уравнении 5а, величины r1ia и L1dia/dt равны нулю, поскольку ia и dia/dt оба равны нулю, и, таким образом, уравнение 5а имеет вид:
еа=va.
[0076] Подобным образом, в уравнении 5b конечный результат равен нулю, поскольку производная dib/dt равна нулю, и, таким образом, уравнение 5b имеет вид:
eb=vb-r1ib.
[0077] Таким образом, электромагнитная мощность Pem может быть легко вычислена путем замены этих значений в уравнении 4. Поскольку фазный ток ia в фазе а равен нулю, первое выражение в правой части уравнения 4 приближается к нулю, и уравнение 4 упрощается до:
Pem=(2eb+ea)ib.
[0078] Таким образом, после замены eb и еа уравнение 4 имеет вид:
Pem=(2(vb-r1ib)+va)ib,
и поскольку r1 - это известная характеристика двигателя (сопротивление обмоток статора), мощность Pem может быть легко вычислена путем замены значений r1, vb, va и ib. Путем деления значения мощности Pem на скорость вращения, измеренную в тот же момент времени, получают значение электромагнитного крутящего момента Tem в тот момент времени. Значение r1, например, может быть сохранено в запоминающем устройстве и извлечено для выполнения вычисления Pem.
[0079] На ФИГ. 4а показаны сумматор 118 и умножитель 119, которые являются частью процессора 9. В примере, показанном на ФИГ. 4а, (который отличается от вышеуказанного примера, поскольку одновременные измерения проводятся, когда фаза b находится в точке цикла, соответствующей пунктиру 1 на ФИГ. 6, и фаза а находится в точке, соответствующей пунктиру 5 на ФИГ. 6), селектор 117 определяет, что:
ток ib в фазе b равен нулю;
производная dib/dt также равна нулю; и
производная dia/dt фазного тока ia в фазе а равна нулю;
и передает сумматору 18 одновременные значения:
фазного тока ia в фазе а;
напряжения va фазы а и
напряжения vb фазы b.
[0080] Уравнения 5а и 5b используются вновь и после удаления нулевых членов уравнения упрощены до:
ea=va-r1ia;
eb=vb.
[0081] Электромагнитная мощность Pem снова может быть легко вычислена при подстановке этих значений в уравнение 4. Поскольку фазный ток ib в фазе b, является нулевым, второй член в правой части уравнения 4 приближается к нулю, и уравнение 4 упрощается до:
Pem=(2ea+eb)ia.
[0082] Таким образом, при замене eb и еа уравнение 4 имеет вид:
Pem=(2(va-r1ia)+vb)ia.
[0083] При замене этих трех значений ia, va и vb в уравнениях 6а и 6b сумматор 118 вычисляет значения для еа и eb, и затем получает сумму "(2ea+eb)", которую передает умножителю 119. Мгновенное значение тока ia также передаются умножителю 119, который образует произведение "(2ea+eb)×ia", которое, как описано выше, является мерой электромагнитной мощности Pem.
[0084] Если мгновенные измерения проведены в момент времени, когда ток в фазе с и его производная равны нулю (т.е. когда фаза с находится в положении пунктира 1 на ФИГ. 6), ток в фазе а будет соответствовать положению пунктира 3, ток в фазе b будет соответствовать положению пунктира 5. Таким образом, фазный ток в фазе с будет равен нулю, производная фазного тока в фазе с будет равна нулю, и производные фазных токов в обеих фазах а и b будут равны нулю. Затем может быть выполнено вычисление электромагнитной мощности Pem на основании уравнения 5с и одного из уравнений 5а и 5b способом, подобным описанному выше. Вычисление, таким образом, упрощается, и вычислительные затраты для вычисления электромагнитной мощность в эти моменты времени уменьшаются.
[0085] В случае, если ток в фазе а равен нулю, производная тока в фазе а равна нулю, и производная тока в фазе с также равна нулю, уравнения для ЭДС и электромагнитной мощности имеют следующий вид:
и
[0086] Когда селектор 117 обнаруживает наличие нулевого тока и нулевой производной тока в фазе а, а также нулевой производной тока в фазе с, селектор 117 передаст сумматору 118 мгновенные значения фазного напряжения vc и фазного тока ic в фазе с и фазного напряжения va фазы а. После чего сумматор 118 и умножитель 119 будут использовать эти значения для вычисления Pem.
[0087] Случай, когда фазный ток в фазе b и его производная равны нулю, описан выше.
[0088] В случае, если ток в фазе с и его производная равны нулю, и производная фазного тока ib в фазе b также равна нулю, уравнения для ЭДС и электромагнитной мощности имеют следующий вид:
и тогда:
[0089] Когда селектор 117 обнаруживает возникновение нулевого тока и нулевой производной тока в фазе с и нулевой производной тока в фазе b, селектор 117 передает сумматору 118 мгновенные значения фазного напряжения vb и фазного тока ib в фазе b и фазного напряжения vc фазы с.
[0090] Как показано на ФИГ. 4b, селектор 117, сумматор 118 и умножитель 119 используются для обеспечения набора значений Pem, взятых с интервалами во время каждого цикла сети питания, которые передаются коммутатору 120. Коммутатор 120 направляет вычисленные значения Pem и углов вектора тока, ЭДС и вектора напряжения в запоминающее устройство 121, где значения последовательно сохраняются. В запоминающем устройстве 121 могут храниться, например, последние десять вычисленных значений Pem вместе с соответствующими значениями скорости вращения, измеренной в тот же момент времени, что и ток и напряжения, на основании которых было вычислено каждое значение Pem. На основании каждой пары соответствующих значений Pem и скорости вращения может быть вычислено значение электромагнитного крутящего момента Tem, действующего в этот момент времени, и значение относительного электромагнитного крутящего момента T*em может быть определено путем деления этого значения Tem на отношение фактической скорости вращения n к расчетной скорости вращения n°.
[0091] Согласно еще одному варианту реализации в запоминающем устройстве могут храниться только расчетные значения тока и/или последний цикл напряжения электропитания, или могут храниться большее количество значений из предыдущих циклов электропитания. Согласно еще одному варианту реализации в запоминающем устройстве 121 могут храниться вычисленные значения электромагнитного крутящего момента Tem или T*em вместо соответствующих пар значений электромагнитной мощности Pem и скорости вращения.
[0092] Затем усредняющее устройство 122 извлекает определенное количество последних вычисленных значений Pem, Tem или T*em из запоминающего устройства 121 и вычисляет среднее значение T*em(av) для электромагнитного крутящего момента, генерируемого двигателем, на основании этих извлеченных значений. Усредняющее устройство 122 может взять значения, вычисленные во время текущего и/или предыдущего цикла электропитания, или может взять значения из набора предыдущих циклов электропитания для вычисления среднего значения. Это среднее значение T*em(av) используется для определения момента времени, когда схема питания двигателя должна быть переключена из соединения звездой в соединение треугольником или назад в соединение звездой, как описано ниже.
Генератор векторов
[0093] Векторное управление основано на анализе расположения изменений углов векторов напряжения, ЭДС и тока (θu, θе, θi), значения которых также извлекаются из запоминающего устройства 121 генератором 123 векторов. Функция генератора 123 векторов состоит в генерировании значений векторов электродвижущей силы  в каждой фазной обмотке и напряжения  сети питания. Углы между этими векторами изменяются при использовании двигателя в зависимости от данных о параметрах двигателя, таких как фазовое сопротивление обмоток статора и ротора, реактивное сопротивление утечки обмоток статора и ротора и реактивное сопротивление намагничивания.
[0094] Выходные сигналы генератора 123 векторов передаются компаратору 126, и результат сравнения управляет работой генератора 127 времени переключения (ФИГ. 5).
[0095] В компараторе 126 векторные величины  сравниваются с вектором  для определения, совпадают ли указанные векторы по фазе, и результаты сравнения используются для определения момента времени, когда должна быть инициирована операция переключения с соединения звездой на соединение треугольником или наоборот, а также когда должен быть введен режим динамического торможения. Когда компаратор 126 определяет, что векторы совпадают по фазе, генератору 127 времени переключения передают сигнал пуска процесса переключения между соединениями звездой и треугольником или входа в режим динамического торможения. При точной синхронизации переключения между соединением звездой и соединением треугольником или входом в режим динамического торможения большие пусковые токи в двигателе могут быть предотвращены.
Генерация команды переключения
[0096] Как показано на ФИГ. 5, среднее значение T*em(av) электромагнитного крутящего момента из усредняющего устройства 122 подается на вход процессора 124. Процессор 124 также принимает входной сигнал, характеризующий скорость n вращения или относительную скорость n* двигателя и нагрузки. Относительная скорость n* является фактической скоростью n двигателя, разделенной на номинальную скорость n° двигателя. Этот входной сигнал скорости может быть получен от тахометра, измеряющего скорость n вращения вала двигателя или части нагрузки, причем относительная скорость n* может быть вычислена на основании измеренной скорости n и расчетной скорости n° двигателя. Согласно еще одному варианту реализации относительная скорость n* может быть получена вычислением на основании номинальной скорости n° двигателя и скольжения s двигателя.
[0097] Результат измерения скорости также вводится в запоминающее устройство 16 для данных нагрузки, как показано на ФИГ. 5, для извлечения из запоминающего устройства 16 значения относительного статического крутящего момента Т2* нагрузки, которое соответствует этой относительной скорости вращения. Затем извлеченное значение Т2* подается на вход процессора 124.
[0098] Таким образом, процессор 124 принимает три входных значения, а именно:
i. измеренный средний относительный электромагнитный крутящий момент T*em(av);
ii. скорость n* вращения; и
iii. относительный крутящий момент Т2*, который является функцией относительной скорости n* и мерой крутящего момента, необходимого для вращения нагрузки с этой относительной скоростью.
[0099] Процессор 124 сначала определяет, соединен ли двигатель в настоящий момент времени звездой или треугольником, и затем сравнивает относительный средний электромагнитный крутящий момент T*em(av) с предварительно сохраненным пороговым значением для определения необходимости переключения двигателя в другую конфигурацию. Пороговое значение может храниться в процессоре 124 или в запоминающем устройстве 15 для данных двигателя и в случае необходимости может быть извлечено из него. Могут быть сохранены два пороговых значения, из которых одно значение соответствует работе при соединении звездой, и другое значение соответствует работе при соединении треугольником. Эти два пороговых значения могут быть одинаковыми или могут быть различными. Основание для сравнения также может различаться между соединением звездой и соединением треугольником. Когда двигатель работает по схеме "звезда", решение о переключении в соединение треугольником может быть принято, если относительный средний электромагнитный крутящий момент T*em(av) равен или больше, чем предварительно сохраненное пороговое значение для работы при соединении звездой. Когда двигатель работает по схеме "треугольник", решение о переключении в соединение звездой может быть принято, если относительный средний электромагнитный крутящий момент T*em(av) равен или меньше, чем предварительно сохраненное пороговое значение для работы в соединении треугольником.
[00100] Если определено, что двигатель должен быть переключен в другую схему питания, значение Т2* для требуемого крутящего момента нагрузки при текущей скорости вращения извлекается из запоминающего устройства 16 для данных нагрузки, и выполняется сравнение для определения, равен ли относительный средний электромагнитный крутящий момент T*em(av) текущему требуемому крутящему моменту нагрузки или близок к нему.
[00101] Если определено, что достигнуто или пройдено соответствующее пороговое значение T*em(av), и относительный средний электромагнитный крутящий момент T*em(av) равен текущему требуемому крутящему моменту нагрузки или близок к нему (например, находится в пределах 5% или 10%), генератору 127 времени переключения передают команду, указывающую на то, что двигатель должен быть переключен в другую схему питания.
[00102] Когда генератор 127 времени переключения принимает команду переключения от процессора 124, генератор 127 времени переключения сравнивает фазовые углы между фазовой ЭДС и напряжением электропитания и, если эти фазы совпадают, передает сигналы основному контроллеру 34, вызывающие инициирование переключения с соединения звездой в соединение треугольником или из соединения треугольником в соединение звездой.
[00103] Основной контроллер 34 на ФИГ. 3 выполнен с возможностью передавать контроллеру 35 тиристоров управляющие сигналы переключения тиристоров Th1-Th9 для соединения обмоток двигателя 1 либо звездой, либо треугольником в ответ на заданные условия управления с целью снижения энергии, расходуемой двигателем. В отличие от известных способов переключения обмоток двигателя переключение из соединения звездой в соединение треугольником или наоборот, согласно одному варианту реализации настоящего изобретения выполняется на основании значения электромагнитного крутящего момента (Tem) двигателя, частоты (n) вращения и статической нагрузки на вал двигателя. Таким образом, в электроприводе с изменяемой нагрузкой максимизируется энергосберегающий эффект переключения.
[00104] Точную синхронизация каждого переключения с соединения звездой на соединение треугольником выполняют на основании сравнения между значениями векторов фазной ЭДС двигателя и фазного напряжения сети питания, т.е. переключение выполняют, когда эти две векторных величины совпадают по фазе, т.е. их фазовые углы совпадают.
Сохранение данных о характеристиках нагрузки
[00105] Характеристики нагрузки, такие как зависимость между статическим крутящим моментом Т2 нагрузки и скоростью n вращения для нагрузки, хранятся в запоминающем устройстве 16 для данных нагрузки, показанном на ФИГ. 2 и 5. Указанные данные могут храниться в форме справочной таблицы, содержащей ряд значений скорости вращения между нулем и максимальной расчетной скоростью двигателя с соответствующим значением крутящего момента Т2, требуемой для нагрузки при этой скорости, записанным для каждой скорости. Согласно еще одному варианту реализации справочная таблица может содержать относительные значения статического крутящего момента Т*2 нагрузки, т.е. отношения крутящего момента Т2, фактически необходимого при конкретной скорости, к крутящему моменту Т°2, необходимому для вращения нагрузки при номинальной скорости двигателя. Схожим образом, вместо значений фактической скорости вращения n справочная таблица может содержать значения относительной скорости n* двигателя, которая является отношением измеренной скорости n к номинальной расчетной скорости n° двигателя. Эти характеристические данные могут быть введены в запоминающее устройство для данных нагрузки любым подходящим средством, например беспроводным способом посредством антенны 19, вставкой флеш-карты в гнездо, вставкой флэш-памяти или диска в соответствующий привод (не показан) или соединением кабеля с портом 20 блока 18 ввода-вывода.
2
[00106] Примеры характеристических данных для нагрузки, выраженных двумя различными способами, показаны на ФИГ. 7. Прямая линия, обозначенная как T2*=f(n*), показывает линейные зависимости между относительным статическим крутящим моментом нагрузки и относительной скоростью, которая может быть применима, например, к эскалатору. Кривая линия, обозначенная как T2*=f(n*), показывает нелинейные зависимости между относительным статическим крутящим моментом Т*2 нагрузки и квадратом относительной скорости n* вращения нагрузки, которая является характерной кривой для нагрузки, такой как вентилятор. Обе характеристики показывают зависимость между скоростью вращения нагрузки и величиной крутящего момента, необходимой для вращения нагрузки с этой скоростью.
[00107] В запоминающем устройстве 16 для данных нагрузки также могут храниться параметры нагрузки, такие как ее момент инерции, максимальные и минимальные скорости разгона и торможения, допустимые для нагрузки, или другие параметры, свойственные для конкретной нагрузки. Например, если двигатель приводит в движение эскалатор, максимальный параметр ускорения может быть сохранен для предотвращения падения пассажиров.
Сохранение данных о характеристиках двигателя
[00108] Механические характеристики двигателя, такие как зависимость между электромагнитным крутящим моментом Tem и скоростью n вращения двигателя как для соединения звездой, так и для соединения треугольником, хранятся в запоминающем устройстве 15 для данных двигателя, показанном на ФИГ. 2.
[00109] Указанные данные могут храниться в форме справочных таблиц, содержащих ряд значений скорости n вращения от нуля до максимальной расчетной скорости двигателя с соответствующим значением электромагнитного крутящего момента Tem, вырабатываемого двигателем при этой скорости как для соединения звездой, так и для соединения треугольником, записанного для каждой скорости. Эти данные о характеристиках могут быть введены в запоминающее устройство для данных двигателя беспроводным способом или соединением кабеля с портом 20 блока 18 ввода-вывода. Кроме того, в запоминающем устройстве для данных двигателя могут храниться различные значения скорости n, значения относительного электромагнитного крутящего момента T*em, т.е. отношение крутящего момента Tem, фактически вырабатываемого как при соединении звездой, так и при соединении треугольником, и номинальные значения электромагнитного крутящего момента T°em двигателя. Схожим образом, справочная таблица может соотносить сохраненные значения электромагнитного крутящего момента Tem со значениями относительной скорости n* двигателя вместо значений фактической скорости n вращения. В запоминающем устройстве для данных двигателя также могут храниться номинальные значения скорости вращения n° двигателя и электромагнитный крутящий момент T°em двигателя, а также другие параметры двигателя, такие как расчетное напряжение питания и выходная мощность.
[00110] Линии, обозначенные как Y и Δ на ФИГ. 7, показывают характерные зависимости между относительным электромагнитным крутящим моментом T*em двигателя и относительной скоростью n* двигатель (фактической скоростью n, разделенной на номинальную скорость n°). Линия, обозначенная как Y, представляет зависимость, когда двигатель соединен звездой, тогда как линия, обозначенная как Δ, представляет зависимость, когда двигатель соединен треугольником. Область устойчивых значений этих механических характеристик двигателя, т.е. сочетаний значений, при которых двигатель может работать стабильно, определяется параметрами двигателя, которые обычно предоставляются изготовителем, в соответствии со следующим известным уравнением:
Т* е m=2Т*cr/(s/sc+sc/s),
где:
T*em - текущее значение электромагнитного крутящего момента асинхронного двигателя относительно номинала;
Т*cr - критический электромагнитный крутящий момент асинхронного двигателя относительно номинала;
s - текущее значение скольжения асинхронного двигателя; и
sc = значение критического скольжения для двигателя конкретного типа.
[00111] В запоминающем устройстве для данных двигателя также могут храниться значения, относящиеся к конкретному двигателю, такие как значение sc критического скольжения двигателя, значение Tcr критического электромагнитного крутящего момента двигателя или значение T*cr относительного критического электромагнитного крутящего момента двигателя.
[00112] В запоминающем устройстве для данных двигателя также может храниться пороговое значение электромагнитного крутящего момента Tem для переключения двигателя между соединением звездой и соединением треугольником. Пороговое значение может быть таким, что когда электромагнитный крутящий момент равен пороговому значению или больше порогового значения, двигатель соединяется треугольником, и когда электромагнитный крутящий момент ниже порогового значения, двигатель соединяется звездой. В запоминающем устройстве для данных двигателя могут храниться два пороговых значения, одно из которых соответствует переключению с соединения звездой на соединение треугольником, и другое пороговое значение соответствует переключению с соединения треугольником на соединение звездой. Эти два пороговых значения могут быть одинаковыми. Пороговое значение для переключения с соединения звездой на соединение треугольником может быть выше, чем пороговое значение для переключения с соединения треугольником на соединение звездой.
[00113] Согласно еще одному варианту реализации данные о характеристиках, хранящиеся в запоминающем устройстве для данных нагрузки и запоминающем устройстве для данных двигателя, могут храниться в форме алгоритма, так что путем ввода значения скорости n или относительной скорости n* может быть получено соответствующее значение статического крутящего момента Т2 или Т2* нагрузки или электромагнитного крутящего момента Tem или T*em двигателя.
Пуск и осуществление привода
[00114] На ФИГ. 8 показана высокоуровневая блок-схема приведенного в качестве примера варианта реализации работы управляющего блока в режиме пуска и установившемся режиме работы двигателя. На этом чертеже подробно объясняется управляющий алгоритм работы асинхронного двигателя, который может быть реализован в виде аппаратных средств, программного обеспечения или сочетания аппаратных средств и программного обеспечения в устройстве, работающем в соответствии со способом согласно настоящему изобретению. Перед пуском двигателя все тиристоры Th1-Th9 являются закрытыми, т.е. не проводят ток.
[00115] Как показано на ФИГ. 8, на этапе 1000 дают команду для пуска двигателя, например, ручным вводом машинного оператора.
[00116] Затем, на этапе 1010 опрашивают запоминающее устройство данных нагрузки для извлечения значений крутящего момента Т2, требуемого для нагрузки в начальный период, в который нагрузка ускоряется до расчетной скорости, и опрашивают запоминающее устройство данных двигателя для извлечения номинального значения электромагнитного крутящего момента T°em.
[00117] Затем на этапе 1020 система управления на основании этих извлеченных данных определяет, можно ли запустить двигатель по схеме "соединение звездой". Если в начале пуска крутящий момент, необходимый для нагрузки, не превышает первую конкретную долю (в этом примере примерно 0,4) номинального значения электромагнитного крутящего момента T°em, и в конце ускорения не превышает вторую конкретную долю (в этом примере примерно 0,6) значения T°em, система управления определяет, что пуск по схеме "соединение звездой" возможен, и управление алгоритмом передается этапу 1030, и выполняют пуск двигателя в соединении звездой.
[00118] Если значения крутящего момента, требуемого нагрузкой, превышают первую и вторую конкретные доли (примерно 0,4 и 0,6 T°em соответственно) в начале и конце фазы пуска, то пуск в соединении звездой не возможен, и управление алгоритмом передается к этапу 1100, на котором дается команда включить шесть тиристоров тиристорного блока TD для переключения обмоток двигателя в соединение треугольником. Затем управление алгоритмом передается к этапу 1100, и пуск двигателя выполняют в режиме треугольника в соответствии с амплитудно-фазовым управлением.
[00119] Следует понимать, что значения, составляющие примерно 0,4 и 0,6 T°em, приведены в качестве только примера, и значения T°em, используемые в любом конкретном назначении применения настоящего изобретения для решения, возможен ли пуск по схеме "соединение звездой", могут быть выше или ниже, чем эти приведенные в качестве примера значения.
[00120] Если на этапе 1020 определено, что двигатель может быть запущен по схеме "соединение звездой", на этапе 1030 три тиристора Th7-Th9 тиристорного блока "TY" включаются для соединения обмоток двигателя по схеме "звезда".
[00121] На этапе 1040 выполняют пуск двигателя в режиме "соединения звездой", и двигатель и нагрузка ускоряются до скорости вращения, соответствующей точке пересечения механической характеристики двигателя в режиме "соединение звездой" (T*em=f(n*) с характеристикой статического крутящего момента нагрузки (T2*=f(n*), как указано стрелкой А на ФИГ. 7.
[00122] Когда двигатель работает в установившемся режиме, на этапе 1040 отслеживают изменения электромагнитного крутящего момента Tem в зависимости от скорости вращения в установившемся режиме работы, и когда электромагнитный крутящий момент Tem достигает или превышает заданное пороговое значение (в этом примере приблизительно 0,6 T°em), на этапе 1050 определяют, что обмотки двигателя должны быть переключены из соединения звездой в соединение треугольником. Это выполняется выключением тиристоров Th7-Th9 тиристорного блока "TY" и включением тиристоров Th1-Th6 тиристорного блока "TD".
[00123] Опять же, следует понимать, что значение 0,6 T°em приведено просто в качестве примера, и пороговое значение, при котором система управления определяет, что обмотка должна быть переключена с соединения звездой на соединение треугольником, может быть выше или ниже, чем это значение.
[00124] В то же время на этапе 1060 генерируют значения мощности, потребляемой двигателем, которые сохраняют в запоминающем устройстве в целях, которые будут описаны ниже.
[00125] После приема команды от этапа 1050 для переключения обмоток двигателя с соединения звездой на соединение треугольником на этапе 1070 отслеживают положение векторов ЭДС двигателя и напряжения питания, и на этапе 1080 определяют, находятся ли векторы ЭДС и напряжения питания в необходимых положениях для переключения.
[00126] После совпадения векторов ЭДС и напряжения питания на этапе 1090 дается команда для последовательного выключения тиристоров тиристорного блока "TY" и затем последовательного включения тиристоров тиристорного блока "TD" способом, описанным ниже в разделе "ОПЕРАЦИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ". Это обеспечивает возможность переключения обмоток двигателя с соединения звездой на соединение треугольником.
[00127] Переключение на соединение треугольником отслеживается на этапе 1100, и требуемые условия для работы в режиме треугольника проверяются на этапе 1110. Если переключение на соединение треугольником выполнено при нормальном режиме, и после заданного интервала времени двигатель работает в установившемся режиме согласно характеристикам T*em=f(n*) и T2*=f(n*), как показано на ФИГ. 7, то работа двигателя продолжается.
[00128] На этапе 1120 значение T*em непрерывно отслеживается в соответствии с механическими характеристиками двигателя в режиме треугольника, и на этапе 1130 определяют, достигло ли значение T*em порогового значения, для переключения обмоток с соединения треугольником на соединение звездой. В этом примере пороговое значение определяется, когда T*em составляет приблизительно от 0,7 T°em до 0,8 T°em.
[00129] Опять же, следует понимать, что значение от 0,7 T°em до 0,8 T°em приведено просто в качестве примера, и пороговое значение, при котором система управления определяет, что обмотка должна быть переключена с соединения треугольником на соединение звездой, может быть выше или ниже, чем это значение.
[00130] Если пороговое значение достигнуто, на этапе 1131 отслеживают положение векторов ЭДС двигателя и напряжения питания, как описано в отношении этапа 1070, и на этапе 1132 определяют, находятся ли векторы ЭДС и напряжения питания в требуемых положениях для переключения.
[00131] После совпадения векторов ЭДС и напряжения питания на этапе 1140 дают команду для последовательного выключения тиристоров тиристорной группы "TD" и затем последовательного включения тиристоров тиристорной группы "TY", как описано выше. Это обеспечивает переключение обмоток двигателя с соединения треугольником на соединение звездой. После того, как эта команда принята от этапа 11140, тиристорные группы переключаются от группы "TD" к группе "TY", как описанные выше, и управление алгоритмом возвращается к этапу 1030.
[00132] Во время работы двигателя в режиме треугольника, как и во время его работы в режиме звезды, выполняется непрерывное отслеживание мощности, потребляемой двигателем (на этапе 1060) с передачей отслеженных значений запоминающему устройству.
[00133] Если на этапе 1110 определено, что в пределах указанного времени переключение двигателя от режима звезды к режиму треугольника не произошло, или двигатель не работает в надлежащих условиях установившегося режима, дается команда аварийного отключения двигателя от электропитания.
Операция переключения
[00134] После определения целесообразности переключения обмоток двигателя в соответствии с соображения экономии энергии система управления сравнивает ЭДС самоиндукции двигателя с напряжением питания двигателя и запускает процесс переключения соединений обмоток двигателя с соединения треугольником на соединение звездой или наоборот.
[00135] Когда нагрузка на вал двигателя снижается до заданного порогового значения, дается команда на переключение с соединения треугольником на соединение звездой, и, начинается процесс открывания тиристорных переключателей. Фактическое открывание тиристорных переключателей происходит последовательно, при этом переключатели одной фазы открываются первыми, когда ток в этой фазе переходит через нуль (токи в других двух фазах в этот момент времени равны по амплитуде, но имеют противоположные знаки). Затем, когда ток проходит через нуль в оставшихся двух фазах, тиристорные переключатели этих двух фаз последовательно открываются. В период времени бестоковой паузы, когда все тиристорные переключатели открыты, отслеживается ЭДС, индуцированная в цепях статора двигателя между двумя фазами, и когда эта ЭДС равна напряжению питания, схема управления дает команду закрыть указанные три тиристорных переключателя для соединения обмоток звездой, когда вектор напряжения питания сети и вектор ЭДС двигателя согласованы по фазе.
[00136] Подобным образом система управления переключает обмотки двигателя с соединения звездой на соединение треугольником, когда нагрузка увеличивается выше заданного порогового значения. Тиристорные переключатели соединения звездой последовательно открываются, когда ток в каждой фазе проходит через ноль, пока все три переключателя не будут открыты. Отслеживается ЭДС, индуцированная в цепях статора двигателя между двумя фазами, и когда эта ЭДС равна напряжению питания, схема управления закрывает тиристорные переключатели для соединения обмоток треугольником, когда векторы напряжения питания сети и ЭДС двигателя совпадают по фазе.
[00137] Во время каждого оборота двигателя возможны только 2 или 3 момента времени, когда фазовый угол между ЭДС и напряжением электропитания является подходящим для инициирования операции переключения между соединением звездой и соединением треугольником. Инерция сочетания двигателя/нагрузки является фактором при определении количества моментов времени в каждом цикле электропитания, в которые может быть инициирована операция переключения.
[00138] Вследствие того, что амплитуда ЭДС меньше, чем амплитуда напряжения сети питания, переключение питания обмоток в любом из вышеуказанных случаев начинается немедленно после минимального времени бестоковой паузы, необходимого для предотвращения короткого замыкания, когда значение ЭДС питающей фазы переходит через ноль.
[00139] Путем отключения каждой фазы, когда ток в этой фазе равен нулю, и подключения каждой фазы, когда индуцированная ЭДС совпадает с напряжением питания, предотвращают генерацию бросков тока в двигателе при переключении между соединением звездой и соединением треугольником.
Режим торможения
[00140] В отличие от режимов пуска двигателя и установившегося режима работы, режимы торможения асинхронного двигателя являются более тяжелыми. Процессы, происходящие в условиях непрерывного магнитного поля, вызывают более сильные выбросы крутящего момента, чем при пуске. Известно, что в этом случае процесс является непостоянным и зависит от угла сдвига фаз между ЭДС, индуцированной токами ротора в обмотках статора, и напряжением питания. Таким образом, имеются благоприятные и неблагоприятные углы сдвига.
[00141] Согласно настоящему изобретению в режиме торможения двигателя используется тот же принцип сравнения векторов ЭДС двигателя и напряжения питания, который применен в установившемся режиме работы, для уменьшения броска тока при переключении обмоток с соединения треугольником на соединение звездой.
[00142] Согласно настоящему изобретению переключение двигателя от моторного режима работы в режим торможения выполняют в моменты времени, когда векторы напряжения сети и векторы ЭДС двигателя совпадают по фазе. При таком управлении режим торможения двигателя вырабатывает значительный тормозящий момент, который замедляет двигатель и препятствует его "зависанию" в высокочастотной области вращения.
[00143] Точность совпадения между этими векторами перед применением следующего управляющего импульса зависит от инерции привода. Для приводов, имеющих более высокую инерцию, должно достигаться более точное совпадение векторов перед запуском торможения.
[00144] Существенный признак настоящего изобретения состоит в том, что в то время, когда система управления принимает внешнюю команду для запуска принудительного торможения, система управления выключает конкретную группу тиристоров.
[00145] Таким образом, если двигатель работает в режиме треугольника, выключают все три пары тиристоров тиристорного блока "TD", и в момент времени, когда векторы напряжения питания и ЭДС двигателя находятся в фазе, включают один тиристор каждой пары. Это обеспечивает возможность протекания постоянного тока через обмотки двигателя, который образует фиксированное пространство в поле.
[00146] Если возникает необходимость торможения, когда двигатель питается по схеме соединения звездой, достаточно выключить указанные три тиристора тиристорного блока "TY" и затем включить один из них в момент времени, когда векторы напряжения и ЭДС двигателя находятся в фазе, как показано на ФИГ. 10, описанном ниже.
[00147] На ФИГ. 9 показана блок-схема приведенного в качестве примера способа работы контроллера в режимах торможения. На этом чертеже более подробно объясняется управляющий алгоритм для режимов торможения асинхронного двигателя, который может быть реализован в устройстве в соответствии со способом, предложенным в настоящем изобретении.
[00148] На этапе 2000 двигатель находится в установившемся режиме работы, и выполняется отслеживание работы двигателя путем измерения параметров тока и напряжения, как описано выше. На этапе 2010, если отслеженные параметры двигателя отличаются от их требуемых значений, например, при перегрузке, то в случае необходимости может быть востребован запланированный режим торможения. Если имеется какое-либо отклонение от установившегося режима работы, и запланированное торможение не может быть выполнено, на этапе 2011 электропитание двигателя отключается.
[00149] Если двигатель работает надлежащим образом, и требуется торможение, на этапе 2020 подается команда торможения. Команда торможения может быть использована для принудительного торможения, или она может быть использована просто для отключения двигателя от сети питания и обеспечения возможности перехода двигателя в режим свободной остановки.
[00150] На этапе 2030 управляющий блок определяет, требуется ли принудительное торможение для остановки двигателя. Если требуется, на этапе 2040 управляющий блок определяет, работает ли двигатель в режиме соединения звездой или соединения треугольником.
[00151] Если двигатель работает в режиме соединения треугольником, управление алгоритмом переходит к этапу 2060, и все три пары тиристоров в тиристорном блоке "TD" выключаются.
[00152] В то же время на этапе 2070 отслеживаются положения фаз векторов ЭДС двигателя и напряжения питания, и сравниваются их фазовые углы. Если эти векторы находятся в заданных относительных положениях, что проверяется на этапе 2080, на этапе 2090 определяют заданный момент инерции нагрузки, например, путем извлечения данных о моменте инерции из запоминающего устройства для данных нагрузки, или путем измерения.
[00153] Если момент инерции нагрузки равен или более чем в два раза превышает момент инерции двигателя, который может быть, например, извлечен из запоминающего устройства для данных двигателя, на этапе 2100 передают этапу 2110 условие, согласно которому количество совпадающих векторов ЭДС двигателя и напряжения питающей фазы равно двум или больше чем два (N>2). Если момент инерции нагрузки меньше, чем двойной момент инерции двигателя, на этапе 2120 количество совпадающих требуемых векторов определяется как N=1.
[00154] На этапе 2111 определяют, совпадает ли требуемое количество векторов, путем сравнения количества совпадающих векторов с заданным требованием N. Если требуемое количество векторов совпадает, на этапе 2112 определяют, работает ли двигатель в режиме соединения звездой или соединения треугольником, и если двигатель работает в соединении треугольником, управление алгоритмом передается этапу 2130, и один тиристор из каждой пары тиристоров в тиристорном блоке "TD", например, тиристоры Th1, Th3 и Th5, включается.
[00155] На этапе 2140 отслеживают фазные токи ia, ib, ic двигателя во время режима торможения. На этапе 2150 отслеженные фазные токи двигателя сравнивают с номинальным значением фазного тока двигателя, и если один из фазных токов ia, ib, ic двигателя больше, чем примерно 3-4 номинальных тока, двигатель отключается от сети питания и переходит в режим свободной остановки.
[00156] Если ни один из фазных токов ia, ib, ic двигателя не больше, чем примерно 3-4 номинальных тока, двигатель продолжает работать в режиме динамического торможения до полной остановки.
[00157] Если на этапе 2050 система управления определяет, что двигатель работает по схеме "звезда", то управление алгоритмом переходит к этапу 2160, и все три тиристора в тиристорном блоке "TY" закрываются. Положения векторов отслеживают как и прежде на этапах 2070, 2080, 2090 и 2100, и на этапах 2110 и 2120 определяют требуемое количество N совпадающих векторов. Если требуемое количество векторов совпадает, на этапе 2112 определяют, работает ли двигатель по схеме "звезда", и управление алгоритмом передается к этапу 2170 для соединения одного из тиристоров блока "TY", например, тиристора Th9. Затем управление алгоритмом передается к этапу 2140, и процесс продолжается как и прежде, пока двигателя не остановится.
[00158] Если на этапе 2030 определено, что ввод команды торможения не требует принудительного торможения, управление алгоритмом переходит к этапу 2180, на котором на основании введенной команды торможения определяют необходимость увеличения времени торможения, т.е. выполнения более плавной остановки двигателя по сравнению с режимом свободной остановки, когда двигатель отключен от сети питания. Если более плавна остановка не требуется, двигатель переключается в режим свободной остановки. Если требуется более плавное торможение, управление алгоритмом переходит к этапу 2190, на котором определяется, работает ли двигатель в режиме соединения звездой или соединения треугольником. Если двигатель работает в режиме соединения треугольником, управление алгоритмом передается к этапу 2200, и генерируется команда остановки двигателя с заданной скоростью путем амплитудно-фазового управления, подобно плавному пуску. Если двигатель работал по схеме "звезда" до момента подачи команды торможения, питание двигателя просто отключают, и он переходит в режим свободной остановки.
[00159] Читаемые компьютером команды для реализации способов, описанных со ссылкой на ФИГ. 8 и 9, могут храниться в запоминающем устройстве 14 управляющей программы в управляющем блоке для исполнения процессором 9. Команды могут быть загружены в запоминающее устройство управляющей программы 14 через наружный порт 20 или антенну 19 блока 18 ввода-вывода системы 6 управления.
[00160] В режиме инсталляции управляющие программы, а также все данные двигателя и данные нагрузки могут быть введены в соответствующие запоминающие устройства 14, 15 и 16 управляющего блока 6. В последующих случаях, например, когда нагрузка, которую приводит в движение двигатель, изменяется, или двигатель используется для осуществления привода различной нагрузки, данные о характеристиках нагрузки для измененной или новой нагрузки могут быть загружены в запоминающее устройство для данных нагрузки для использования при определении, когда двигатель должен быть переключен с соединения звездой на соединение треугольником. Схожим образом, пороговые значения переключения, при которых изменяются типы соединения двигателя, могут быть введены в запоминающее устройство для управляющей программы после того, как система проработает испытательный срок, с целью максимизации экономии энергии.
[00161] Согласно наиболее предпочтительному варианту реализации во время работы двигателя, обмотки которого при необходимости переключаются между соединением звездой и соединением треугольником для обеспечения наиболее эффективной эксплуатации двигателя, потребляемая двигателем мощность (Рс) измеряется в блоке 128 отслеживания мощности и записывается в запоминающем устройстве (не показано).
[00162] Данные, характеризующие энергопотребление двигателя, могут быть собраны в течение определенного периода времени. Эти данные об энергопотреблении могут быть сравнены с историческими значениями потребляемой двигателем энергии, и может быть измерено количество дополнительной энергии, сэкономленной при помощи системы согласно настоящему изобретению. Такие данные могут быть переданы или иным способом выведены из управляющего блока для дистанционного отслеживания. Предусматривается, что управляющим блоком 6 согласно некоторым вариантам реализации можно управлять дистанционным способом для обеспечения возможности изменения или прекращения его работы путем подачи сигналов в блок 18 ввода-вывода. Например, если функции экономии энергии согласно настоящему изобретению не требуются, подача команды в блок 6 управления двигателем через антенну 19 или входной порт 20 может быть достаточной для того, чтобы процессор 9, управляющий пусковыми схемами 10 тиристоров, перевел тиристоры 8 в состояние, при котором двигатель 1 просто соединен звездой или треугольником и постоянно работает в этом режиме. Блоку 6 управления двигателем в случае необходимости может быть передана еще одна команда для повторного задействования управляющего блока таким образом, чтобы перевести двигатель в энергосберегающий режим работы путем переключения его питания с соединения звездой на соединение треугольником.