АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СО СВОЙСТВОМ ЖИВУЧЕСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в асинхронных электроприводах с обеспечением свойства живучести.
Известен асинхронный электропривод со свойством живучести (RU 67354 U1, МПК Н02Р 5/00 (2006.01), опубл. 10.10.2007), выбранный в качестве прототипа, содержащий трехфазный асинхронный двигатель, каждая фаза которого через датчики тока подключена к соответствующей преобразовательной ячейке трехфазного преобразователя частоты, задатчик частоты вращения, блок диагностики, который связан с преобразовательными ячейками и с микроконтроллером, который подключен к датчику скорости, к задатчику частоты вращения, к трем датчикам тока и к преобразовательным ячейкам.
Асинхронный электропривод прототипа позволяет обеспечить свойство живучести при аварийном отключении одной из фаз трехфазного асинхронного двигателя с сохранением кругового вращающегося поля для электропривода построенного на основе мостовых или полумостовых преобразовательных ячеек, при этом возможно функционирование только для неисправностей типа «невключение» ключа преобразовательной ячейки.
Недостатком этого технического решения является невозможность отключения преобразовательных ячеек от источника питания в случае выхода из строя силового ключа для неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки, кроме того понижена эффективность использования по напряжению источника питания для случая исполнения преобразовательных ячеек по полумостовой схеме с подключением нулевой точки обмотки статора к средней точке источника питания.
Задачей полезной модели является обеспечение работоспособности асинхронного электропривода при аварийном отключении одной из фаз трехфазного асинхронного двигателя при неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки и повышение эффективности использования по напряжению источника питания при выполнении преобразовательных ячеек по полумостовой схеме.
Поставленная задача решена за счет того, что асинхронный электропривод со свойством живучести, также как в прототипе, содержит трехфазный асинхронный двигатель, каждая фаза которого через датчики тока подключена к соответствующей преобразовательной ячейке, на валу асинхронного двигателя установлен датчик скорости, который подключен к микроконтроллеру, соединенному с задатчиком частоты вращения, с тремя датчиками тока и с преобразовательными ячейками.
Согласно полезной модели нулевая точка обмотки статора подключена через полностью управляемый ключ с двухсторонней проводимостью к средней точке источника питания, образованной двумя конденсаторами, последовательно соединяющими плюсовой и минусовой выводы источника питания. Полностью управляемый ключ с двухсторонней проводимостью подключен к микроконтроллеру. Преобразовательные ячейки подключены к первому, второму и третьему защитным элементам, которые соединены с плюсовым и минусовым выводами источника питания. Преобразовательные ячейки подключены к четвертому, пятому и шестому защитным элементам, которые соединены с минусовым и плюсовым выводами источника питания. Все защитные элементы подключены к микроконтроллеру.
Первый, второй и третий защитные элементы одинаковы, и каждый состоит из плавкой вставки, подключенной одним концом к плюсовому выводу источника питания, а другим концом связанной с преобразовательной ячейкой и с анодом тиристора, катод которого подключен к минусовому выводу источника питания, при этом управляющий электрод тиристора подключен к микроконтроллеру.
Четвертый, пятый и шестой защитные элементы одинаковы, и каждый состоит из плавкой вставки, подключенной одним концом к минусовому выводу источника питания, а другим концом связанной с преобразовательной ячейкой и с катодом тиристора, анод которого подключен к плюсовому выводу источника питания, при этом управляющий электрод тиристора подключен к микроконтроллеру.
Микроконтроллер производит непрерывную диагностику состояния преобразовательных ячеек, и в случае отказа в одной из фаз двигателя или преобразовательной ячейки происходит активизация алгоритма восстановления работоспособности при переключении из трехфазного в аварийный двухфазный режим работы. В прототипе в случае неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки возникает аварийная ситуация с нарушением питания электропривода, приводящая к потере работоспособности. Блокирование отказавшей ячейки трехфазного преобразователя частоты обеспечивается за счет перегорания плавкой вставки по принудительно включаемому коротящему тиристору.
Повышение эффективности использования по напряжению источника питания при выполнении преобразовательных ячеек по полумостовой схеме можно пояснить следующим образом. Как показано на а) фиг.1 напряжение питания 1 полумостовой преобразовательной ячейки, прикладываемое к обмотке статора при отсутствии соединения средней точки источника питания и нулевой точки обмотки статора, в два раза больше, чем напряжение питания 2, указанное на б) фиг.1, прикладываемое к обмотке статора при наличии соединения средней точки источника питания и нулевой точки обмотки статора. Эквивалентные сопротивления 3 фазы обмотки статора асинхронного двигателя в обоих случаях равны.
3
В трехфазном режиме ток I в соответствии со схемой, представленной на а) фиг.1, можно представить как:
,
где 2U - напряжение питания 1 полумостовой преобразовательной ячейки, прикладываемое к обмотке статора при отсутствии соединения средней точки источника питания и нулевой точки обмотки статора,
Z - эквивалентное сопротивление 3 фазы обмотки статора асинхронного двигателя
В тоже время ток, протекающий по обмоткам в аварийном двухфазном режиме 12, в соответствии со схемой, представленной на б) фиг.1 можно представить как:
,
где U - напряжение питания 2 полумостовой преобразовательной ячейки, прикладываемое к обмотке статора при наличии соединения средней точки источника питания и нулевой точки обмотки статора
В прототипе и в трехфазном, и в двухфазном аварийном режиме работы асинхронного двигателя
.
Вследствие использования ключа с двухсторонней проводимостью в трехфазном режиме работы асинхронного двигателя достигают более высокие энергетические показатели работы асинхронного двигателя за счет лучшего использования двигателя по напряжению, по сравнению с прототипом.
На фиг.1 представлены эквивалентные схемы соединения обмоток асинхронного двигателя, где а) - схема соединения в трехфазном и б) - двухфазном режимах.
На фиг.2 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления отказоустойчивым трехфазным асинхронным двигателем.
На фиг.3 представлен вариант исполнения схемы защитных элементов для полумостовой преобразовательной ячейки.
Асинхронный электропривод со свойством живучести выполнен по схеме, изображенной на фиг.2, где асинхронный двигатель 4 (АД) через датчики тока 5, 6, 7 подключен к преобразовательным ячейкам 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2) и 10 (ПЯЗ), которые соответственно подключены к защитным элементам 11(ЗЭ1), 12 (ЗЭ2), 13 (ЗЭ3), которые подключены к плюсовому выводу 14 источника питания. Преобразовательные ячейки 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2) и 10 (ПЯ3) подключены к защитным элементам 15 (ЗЭ4), 16 (ЗЭ5), 17 (ЗЭ6), которые подключены к минусовому выводу 18 источника питания. Защитные элементы 11 (ЗЭ1), 12 (ЗЭ2), 13 (ЗЭ3) подключены к минусовому выводу 18 источника питания. Защитные элементы 15 (ЗЭ4), 16 (ЗЭ5), 17 (ЗЭ6) подключены к плюсовому выводу 14 источника питания. Преобразовательные ячейки 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2), 10 (ПЯ3) и защитные элементы 11 (ЗЭ1), 12 (ЗЭ2), 13 (ЗЭ3), 15 (ЗЭ4), 16 (ЗЭ5), 17 (ЗЭ6) связаны с микроконтроллером 19 (МК). Выходы датчиков тока 5, 6, 7 подключены к микроконтроллеру 19 (МК). На валу асинхронного двигателя 4 (АД) установлен датчик скорости 20 (ДС), выход которого подключен к микроконтроллеру 19 (МК). Задатчик частоты вращения вала двигателя 21 (ЗЧВ) подключен к микроконтроллеру 19 (МК). К плюсовому 14 выводу источника питания подключен конденсатор 22, соединенный с конденсатором 23, который связан с минусовым 18 выводом источника питания. Нулевая точка обмотки статора асинхронного двигателя 4 (АД) подключена к средней точке источника питания, образованной конденсаторами 22 и 23, через полностью управляемый ключ с двухсторонней проводимостью 24, который подключен к микроконтроллеру 19 (МК). Защитные элементы 11 (ЗЭ1), 12 (ЗЭ2), 13 (ЗЭ3), один из которых представлен на фиг.3, состоят каждый из плавкой вставки 25, подключенной одним концом к плюсовому выводу источника питания 14, а другим концом к своей преобразовательной ячейке 8 (ПЯ1) и к аноду тиристора 26, катод которого подключен к минусовому выводу источника питания 18. Защитные элементы 15 (ЗЭ4), 16 (ЗЭ5), 17 (ЗЭ6), один из которых представлен на фиг.3, состоят из плавкой вставки 27, подключенной одним концом к минусовому выводу источника питания 18, а другим концом к своей преобразовательной ячейке 8 (ПЯ1) и к катоду тиристора 28, анод которого подключен к плюсовому выводу источника питания 14. Управляющие электроды тиристоров 26 и 28 подключены к микроконтроллеру 19 (МК).
В качестве асинхронного двигателя 4 (АД) можно выбрать любой трехфазный асинхронный двигатель с развязанными фазами, т.е. начало и конец каждой статорной обмотки выведены в коробку выводов, например, АДМ63В4У3. В качестве датчиков тока 5, 6, 7 могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, например, модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Датчик скорости 20 (ДС) может быть любого типа с аналоговым или цифровым выходом, например ДТА-4. В качестве микроконтроллера 19 (МК) может быть выбран одноплатный микроконтроллер типа АТ89С2051 с тактовой частотой 4 МГц. В качестве преобразовательных ячеек 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2), 10 (ПЯ3) инвертор, выполненный по полумостовой схеме, каждая ячейка которого состоит из двух силовых ключей, между которыми через датчик тока подключена фаза обмотки статора асинхронного двигателя 4 (АД). Задатчик частоты вращения 21 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания. В качестве полностью управляемого ключа с двухсторонней проводимостью 24 может быть использован симистор.
Входной величиной электропривода является сигнал с задатчика частоты вращения 21 (ЗЧВ), который поступает в микроконтроллер 19 (МК). Фазные токи двигателя, определяемые с помощью датчиков тока 5, 6, 7, и частота вращения вала двигателя, которая определяется с помощью датчика скорости 20 (ДС), поступают в микроконтроллер 19 (МК), в котором вырабатывают задания на токи для каждой фазы двигателя, поступающие в преобразовательные ячейки 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2), 10 (ПЯ3).
Микроконтроллер 19 (МК) анализирует состояние преобразовательных ячеек 8 (ПЯ1), 9 (ПЯ2), 10 (ПЯ3) на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и вырабатывает три бита отказа a, b, c, составляющих слово состояния электропривода, поступающее в микроконтроллер 19 (МК). В случае обнаружения отказа или в одной из фаз двигателя или в одной из ячеек преобразователя частоты в микроконтроллере 19 (МК) вариант функционирования алгоритма восстановления (RU 2410813 C1, МПК (2006.01) Н02Н 7/09, Н02Р 27/02), при котором корректируют мгновенные значения фазных токов асинхронного двигателя 4 (АД) для опережающей фазы вектора тока по выражениям, можно представить следующим образом:
;
;
;
а для отстающей фазы вектора тока:
;
;
;
ω
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов, А;
σ - число двоичных разрядов выходного кода цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости;
d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c (∪ - логическая операция ИЛИ), если d=1 - есть отказ в одной из фаз;
a
, , ,  - инверсные значения , b, c, d;
α - значение текущего двоичного кода цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости.
Принцип работы защитных элементов 11(ЗЭ1), 12 (ЗЭ2), 13 (ЗЭ3), 15 (ЗЭ4), 16(ЗЭ5), 17(ЗЭ6) рассмотрим на примере неисправности типа «обрыв фазы» в преобразовательной ячейке 8 (ПЯ1). В случае наступления аварийной ситуации микроконтроллер 19 (МК) на основе анализа отказов вырабатывает бит отказа соответствующей фазы. По биту отказа а (b, с) происходит выключение силовых ключей в отказавшей преобразовательной ячейке 8 (ПЯ1) и включение соответствующих тиристоров 26 и 28 защитных элементов 11 (ЗЭ1) и 15 (ЗЭ4). Плавкие вставки 25 и 27 перегорают и поступление напряжения на отказавший полумост преобразовательной ячейки 8 (ПЯ1) прекращается. Одновременно с этим микроконтроллер 19 (МК) на основе бита отказа d формирует сигнал на включение полностью управляемого ключа с двухсторонней проводимостью 24, в результате чего нулевая точка обмотки статора асинхронного двигателя 4 (АД) оказывается подключенной к средней точке источника питания, образованной конденсаторами 22 и 23.
В трехфазном режиме работы асинхронного двигателя 4 (АД) соединение нулевой точки обмотки статора асинхронного двигателя 4 (АД) и средней точке источника питания, образованной конденсаторами 22 и 23, отсутствует.
Таким образом, заявляемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает работоспособность асинхронного электропривода при аварийном отключении одной из фаз трехфазного асинхронного двигателя при неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки и повышение эффективности использования по напряжению источника питания при выполнении преобразовательных ячеек по полумостовой схеме.