ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электроприводах, требующих постоянства частоты вращения и вращающего момента с возможностью отказов в силовых электрических цепях электродвигателя при долговременной эксплуатации.
Известен вентильный электропривод (патент РФ №2311721, МПК H02P 6/12, опубл. 27.11.2007), который содержит электродвигатель, коммутирующее и вычислительное устройства, а также датчики тока. В состав электродвигателя входит статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами и датчик углового положения ротора. Коммутирующее устройство соединено через датчики тока с выводами обмоток статора, вычислительное устройство соединено с информационными выходами датчиков тока и углового положения ротора.
Указанный электропривод, при аварийном исчезновении тока в одной из обмоток статора электродвигателя, изменяет в исправных обмотках статора фазовые сдвиги токов на величины π/3 радиан, что поддерживает вращение ротора, хотя и с некоторыми уменьшениями частоты вращения и величины вращающего момента. Однако уменьшение частоты вращения и вращающего момента в некоторых электроприводах неприемлемо.
Известен вентильный электропривод (патент РФ №2401500, МПК H02P 6/12, H02P 6/16, опубл. 10.10.2010), выбранный в качестве прототипа, который содержит электродвигатель, коммутирующее и вычислительное устройства, а также датчики тока. В состав электродвигателя входит статор с трехфазной обмоткой, ротор с постоянными магнитами и датчик углового положения ротора. Коммутирующее устройство соединено через датчики тока с выводами обмоток статора, вычислительное устройство соединено с информационными выходами датчиков тока и углового положения ротора. Данный электропривод, при аварийном исчезновении тока в одной из обмоток статора электродвигателя, обеспечивает постоянство частоты вращения и вращающего момента ротора путем изменения в остальных фазах статора амплитуд тока, определяемых вычислительным устройством по заданной зависимости от формы электродвижущих сил (ЭДС) зафиксированных ранее в обмотках исправного электродвигателя. Таким образом, в памяти вычислительного устройства для определения амплитуд фазных токов при аварийном отключении одной из фазных обмоток статора, необходимо описание форм ЭДС в обмотках статора при исправном состоянии электродвигателя.
Однако при продолжительной эксплуатации электродвигателя характеристики его магнитопроводящих цепей, а также магнитные характеристики постоянных магнитов постепенно изменяются, как правило, в сторону уменьшения от первоначальных величин, что ведет к изменению форм ЭДС в обмотках электродвигателя, эксплуатируемом в текущем времени. Поэтому недостатком указанного электропривода является то, что при длительной эксплуатации формы ЭДС, заложенные в вычислительном устройстве и используемые для определения амплитуд фазных токов, в случаях исчезновения тока в одной из обмоток статора не соответствует реальной форме ЭДС в электродвигателе, эксплуатируемому в текущем времени. Данное обстоятельство при компенсировании исчезновения тока в одной из обмоток статора может привести к непостоянству частоты вращения и вращающего момента электропривода, что зачастую недопустимо.
Задачей, которая решается настоящей полезной моделью, является обеспечение возможности корректировки описания формы ЭДС на любом временном интервале эксплуатации вентильного электропривода.
Указанная задача решается тем, что вентильный электропривод дополнительно оборудуется измерителями ЭДС обмоток, запоминающим устройством и командным устройством проведения корректировки. При включении командного устройства вычислительное устройство кратковременно отключает питание обмоток электродвигателя. Постоянные магниты, вращающегося по инерции ротора, наводят в обмотках электродвигателя ЭДС, которые фиксируются запоминающим устройством и в дальнейшем используются вычислительным устройством для расчета фазных токов при исчезновении тока в одной из обмоток статора.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структурная схема вентильного электропривода, на фиг. 2 электрическая схема вентильного электропривода.
Вентильный электропривод содержит электродвигатель 1, соединенный с вычислительным устройством 2 через датчики тока 3 и коммутирующее устройство 4, через датчики положения 5, а также через датчики ЭДС 6 и запоминающее устройство 7, вычислительное устройство 2 также соединено с запоминающим устройством 7 через командное устройство 8.
Электродвигатель 1 имеет внутренний ротор, с расположенными на его внешней поверхности постоянными магнитами, и наружный статор с трехфазной обмоткой. Обмотки статора электродвигателя 1 соединены с датчиками тока 3 и датчиками ЭДС 5. Выходной вал электродвигателя 1 соединен с датчиком положения ротора 5 относительно обмоток статора.
Статор электродвигателя 1 выполняется по технологиям, используемым в производстве электрических машин переменного тока. Ротор электродвигателя 1 может изготавливаться из металлической отливки электротехнической стали с соответствующей металлообработкой. На внешней поверхности ротора размещены плоские постоянные магниты, изготавливаемые из магнитных материалов с высокими удельными показателями, например Fe-Nd-B.
Вычислительного устройства 2 может быть выполнено на стандартных интегральных микросхемах или на основе цифрового программируемого контроллера, например серии Mega фирмы Atmel.
В качестве датчиков тока 3 могут быть использованы стандартные промышленные датчики с гальванической развязкой на основе эффекта Холла или низкоомные шунты с микросхемой преобразования напряжения.
Коммутирующее устройство 4 может быть выполнено в виде трех инверторов, собранных на транзисторах и диодах, изготовляемых по технологиям МОП или IGBT.
В качестве датчика положения ротора 5 может использоваться стандартный датчик положения, применяемый при векторном управлении вентильными электродвигателями, например, типа ВЕ-178А.
Датчики ЭДС 6 представляют собой преобразователи напряжение-цифровой код и могут быть выполнены на стандартных интегральных микросхемах.
Запоминающее устройство 7 может быть выполнено на стандартных интегральных микросхемах - элементах памяти, обеспечивающих по сигналу от командного устройства 8, фиксацию цифрового кода датчиков ЭДС 6.
Командное устройство 8 может быть выполнено в виде ручного или автоматического многополосного переключателя, обеспечивающего при включении передачу сигналов между вычислительным устройством 2 и запоминающим устройством 7.
Все перечисленные в предлагаемом вентильном электроприводе элементы применяются по их прямому назначению и используются для завершенности технического решения.
Работа вентильного электропривода происходит следующим образом.
Электродвигатель 1 в вентильном электроприводе содержит ротор с постоянными магнитами по внешнему периметру. Количество и расположение магнитов на роторе занесено в память вычислительного устройства 2 и используется для формирования управляющих команд коммутирующего устройства 4.
Для формирования сил, обеспечивающих формирование вращающего момента ротора в требуемом направлении, в обмотках статора должны быть сформированы соответствующие магнитные поля. Направленность магнитного поля обмотки статора определяется направлением тока в ней. Поля обмоток статора, направленные в сторону ротора, должны быть либо противоположными по намагниченности с ближайшими постоянными магнитами, сдвинутыми от обмотки в сторону требуемого направления вращения ротора, либо одноименными по направлению намагниченности с ближайшими постоянными магнитами, сдвинутыми от обмотки в сторону противоположную от требуемого направления вращения ротора. Возникающие при этом притягивающие и отталкивающие магнитные поля между постоянными магнитами и намагниченными обмотками статора формируют суммарный вращающий момент. Следовательно, при пропускании в определенные моменты времени по обмоткам статора токов определенного направления, можно формировать вращающий момент ротора определенной направленности. Таким образом, при расположении на роторе постоянных магнитов с определенной величиной намагниченности и при пропускании по обмоткам статора токов определенного значения, направления и времени действия можно создать требуемый вращающий момент ротора с заданной частотой его вращения.
Положение ротора относительно обмоток статора определяется датчиком положения 5. В соответствии с конкретным положением ротора относительно обмоток статора вычислительное устройство 2 формирует на своих выходах (Y1, Y2, Y3, Z1, Z2, Z3) команды управления транзисторами (VT1, VT2, VT3, VT4, VT5, VT6) коммутирующего устройства 4, подключающее к источнику питания (+, -) соответствующие выводы обмоток статора. Полупроводниковые диоды (VD1…VD6) защищают переходы транзисторов от импульсов перенапряжения, возникающих при коммутировании токов в обмотках статора.
Требуемая форма токов в обмотках обеспечивается широтно-импульсной модуляцией включения транзисторов коммутирующего устройства 4. Наиболее эффективной формой тока в обмотках статора электродвигателя является синусоидальная форма.
При эксплуатации вентильного электропривода возможны отказы в силовых цепях тока обмоток статора: обрывы проводников обмоток; выходы из строя каких-либо транзисторов; выходы из строя защитных диодов и, как следствие, последующие отказы соответствующих транзисторов. Состояние исправности силовых цепей фаз проверяется вычислительным устройством 2 по сигналам датчиков тока 3 и датчику положения ротора 5.
При возникновении отказов в силовых цепях, вычислительное устройство 2, по показаниям датчиков тока 3, определяет положительные и отрицательные полупериоды ненадлежащего прохождения тока в обмотках и формирует, путем широтно-импульсной модуляции, в двух других обмотках токи, которые обеспечивают неизменность частоты и момента вращения ротора. Формы амплитуд токов высчитываются по выражениям, приведенным в прототипе полезной модели. При расчете формы тока используется внесенная в память вычислительного устройства 2 форма ЭДС в обмотках статора электродвигателя 1, формируемая при вращении постоянных магнитов около обмоток. Форма ЭДС определяется при изготовлении электродвигателя 1 и сохраняется в памяти вычислительного устройства 2 течении всего срока эксплуатации.
При длительной эксплуатации вентильного электропривода возможны изменения магнитодвижущей силы постоянных магнитов, что изменяет форму ЭДС в обмотках электродвигателя 1 относительно записанной в памяти вычислительного устройства 2. Следовательно, при вышеперечисленных отказах в силовых цепях обмоток статора электродвигателя 1, расчетные формы токов в исправных фазах обмоток не будут соответствовать необходимым токам, обеспечивающим постоянства частоты вращения и вращающего момента.
Для использования в расчетах форм ЭДС, соответствующих эксплуатируемому электрическому двигателю 1 в текущий момент времени, периодически проводится корректировка форм ЭДС, например, через заданный интервал времени. Для обеспечения проведения корректировки форм ЭДС используются датчики ЭДС 6 (ДЭ1, ДЭ2, ДЭ3), запоминающее устройство 7 и командное устройство 8.
Корректировка форм ЭДС производится по сигналам командного устройства 8. Включение командного устройства 8 производится вручную обслуживающим персоналом или автоматически по заданному критерию, например, по истечению определенного интервала времени.
При включении командного устройства 8 вычислительное устройство 2 временно прекращает формирование сигналов управления коммутирующим устройством 4. При этом в обмотках статора исчезают токи и напряжения от источника питания. Ротор электродвигателя 1 проворачивается по инерции и в обмотках статора от постоянных магнитов наводятся ЭДС реально отражающие текущее состояние магнитодвижущих сил магнитов.
Одновременно с выключением коммутирующего устройства 4 вычислительное устройство 2 через командное устройство 8 обнуляет показания запоминающего устройства 7. В дальнейшем при проворачивании ротора вычислительное устройство 2 через командное устройство 8 дает сигнал о проведении фиксации (запоминании) величин ЭДС в запоминающем устройстве 7. После подтверждения фиксации ЭДС от запоминающего устройства 7 вычислительное устройство 2 начинает формировать сигналы управления коммутирующим устройством 4 в соответствии с данными датчиков 3 тока и датчика 5 положения ротора, что восстанавливает работу электродвигателя 1.
При возникновении отказов в силовых цепях электродвигателя 1 вычислительное устройство 2 рассчитывает амплитуды токов в исправных фазах согласно реальным формам ЭДС в текущем времени, зафиксированных в запоминающем устройстве 7, что обеспечивает требуемые характеристики электродвигателя 1.
Таким образом, наличие в вентильном электроприводе датчиков ЭДС, запоминающего и командного устройств позволяет поддерживать заданную частоту вращения и вращающий момент ротора электродвигателя в течение длительного срока эксплуатации в условиях возможных изменений магнитных свойств постоянных магнитов.