СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ТРЕХФАЗНОГО ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ЯВНОПОЛЮСНОЙ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
METHOD TO ENSURE DURABILITY OF THREE-PHASE VALVE MOTOR BASED ON SALIENT-POLE SYNCHRONOUS MACHINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкорегулирумых вентильных двигателях.
3
Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (А.с. СССР №1746482, МКИ H02P 7/42, опубл. в БИ №25, 1992), который заключается в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции диагностируют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя. В случае обнаружения отказа в одной из фаз система управления вентильного двигателя изменяет задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме, с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным π/6 в двухфазном режиме.
Недостатками этого технического решения являются: повышенные аппаратные затраты, необходимые для отработки алгоритма восстановления при отказе в одной из трех фазных преобразовательных ячеек электропривода, повышенная сложность программного обеспечения в случае реализации системы управления вентильного электропривода со свойством живучести в современном микропроцессорном (микроконтроллерном) исполнении, кроме того, для явнополюсного синхронного двигателя из-за смещения максимумов момента угловой характеристики при переключении в двухфазный режим не обеспечивается необходимый электромагнитный момент.
ω
Известен способ обеспечения живучести вентильного электропривода (Патент РФ №2311721, МПК7 H02P 6/12, H02P 6/16, Н02К 29/06, опубл. 27.11.2007 г., Бюл. №33), выбранный в качестве прототипа, который заключается в том, что на каждом интервале широтно-импульсной модуляции диагностируют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя. В случае обнаружения отказа в одной из фаз система управления вентильного двигателя изменяет задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме, с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и поддержанием угла между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, равным π/6 в двухфазном режиме. Используют предварительно определенные значения амплитуды формируемых фазных токов I; значение текущего кода датчика положения ротора α; число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора σ и значение углов θ и ψ, затем выявляют значение битов по отказам фаз a, b, c и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ, и в результате формируют задания на фазные токи в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям:
или для опережающей фазы вектора тока:
;
;
;
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
.
Недостатком этого технического решения является: невозможность использования в составе трехфазного вентильного двигателя явнополюсной синхронной машины, потому что из-за смещения максимумов момента угловой характеристики при переключении в аварийный двухфазный режим не обеспечивается необходимый для работы электромагнитный момент.
Задачей изобретения является обеспечение живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины при аварийном отключении одной из фаз.
A
A
ω
Поставленная задача решена за счет того, что в способе обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя на основе явнополюсной синхронной машины, так же, как в прототипе, на каждом интервале широтно-импульсной модуляции определяют рабочее состояние каждой из трех фаз преобразователя частоты и двигателя в виде битов по отказам фаз a, b, c и значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ и, в случае обнаружения отказа в одной из фаз, в системе управления вентильным двигателем изменяют задания на фазные токи таким образом, чтобы фазовый сдвиг в двух оставшихся фазах приобрел значение π/3 радиан в двухфазном аварийном режиме с соблюдением равенства магнитодвижущих сил в оставшихся фазах двигателя и изменением угла нагрузки θ, определяемого между вектором напряжения в фазе и обратным вектором ЭДС, при значении θ=π/2 в трехфазном режиме на угол нагрузки ψ, определяемый между вектором тока в фазе и обратным вектором ЭДС фазы, при значении ψ=π/6 в двухфазном режиме, задают амплитуду формируемых фазных токов I; определяют значение текущего σ-разрядного двоичного кода датчика положения ротора α.
K
0
i
i+1
Ki
i+1
i
i+1
i
Ki
i
Согласно изобретению предварительно определяют значение угла коррекции φ угловой характеристики для смещения угловой характеристики относительно максимума момента определенного для трехфазного режима работы, при котором обеспечивается максимум электромагнитного момента в двухфазном режиме работы явнополюсной синхронной машины, для чего измеряют электромагнитные моменты вентильного двигателя M, …, M, M, где i=1, 2, …n, задавая пошаговое увеличение угла φ от 0 с шагом , где n - количество шагов на полупериоде угловой характеристики, сравнивают последующее M и предыдущее M значения электромагнитного момента, при выполнении условия M<M определяют угол коррекции как φ соответствующий значению максимального момента M, а задания на фазные токи формируют в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям:
или для опережающей фазы вектора тока:
;
;
;
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
.
K
В заявляемом способе, в отличие от прототипа, при переключении из трехфазного в аварийный двухфазный режим вводят угол коррекции φ угловой характеристики. Как видно из фиг.1, максимум относительного момента  в трехфазном режиме при значении угла θ=4π/12 обеспечивает 100% электромагнитного момента явнополюсной синхронной машины. В аварийном двухфазном режиме при значении угла 4π/12 значение электромагнитного момента падает в 8 раз, то есть ниже уровня статического момента, в результате двигатель останавливается и способ обеспечения живучести, указанный в прототипе, не работает. Однако, если сместить рабочую точку на угловой характеристике на π/4, обеспечивая максимум электромагнитного момента в аварийном двухфазном режиме, то значение электромагнитного момента падает на 10%.
На фиг.1 представлены угловые характеристики вентильного двигателя в трехфазном и аварийном двухфазном режиме.
На фиг.2 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления, позволяющая реализовать программное управление всеми режимами вентильного двигателя.
K
K
На фиг.3 представлены временные диаграммы переходных процессов в рабочем 3-фазном и в аварийном 2-фазном режимах работы без учета угла коррекции φ угловой характеристики, а на фиг.4 - с учетом угла коррекции φ.
Предложенный способ осуществлен с помощью следующей схемы, изображенной на фиг.2, где синхронная машина 1 (CM) через датчики тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) подключена к преобразовательным ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2) и 7 (ПЯ3), к которым подключен блок диагностики 8 (БД), связанный с микроконтроллером 9 (МК). Выходы датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) подключены к микроконтроллеру 9 (МК). На валу синхронной машины 1 (CM) установлен датчик положения 10 (ДП), выход которого подключен к микроконтроллеру 9 (МК). Задатчик частоты вращения двигателя 11 (ЗЧВ) подключен к микроконтроллеру 9 (ЗЧВ). Кроме того, микроконтроллер связан с преобразовательными ячейками 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3). В качестве синхронной машины 1 (CM) может использоваться любая трехфазная явнополюсная машина. В качестве датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, например модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Датчик положения 10 (ДП) реализован в виде датчика положения, обеспечивающего позиционную модуляцию вентильного двигателя, например типа BE-178А. Микроконтроллер 9 (МК) использован серийно выпускаемый. В качестве преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3) использован инвертор, выполненный по мостовой или полумостовой схеме. Задатчик частоты вращения 11 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания. Вариант исполнения блока диагностики 8 (БД) описан в [Однокопылов Г.И. Датчик состояния преобразовательной ячейки. // IV Международная научно-техническая конференция «Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория и вопросы применения», Новочеркасск: Изд-во ЮРГТУ 2004. - 70 с.].
K
0
i
i+1
Ki
i+1
i
i+1
i
i
3
Для проверки обеспечения живучести использовали трехфазную явнополюсную синхронную машину ДСТ-180. Предварительно был определен угол коррекции φ угловой характеристики вентильного двигателя для смещения угловой характеристики относительно максимума момента, определенного для трехфазного режима работы, при котором обеспечивается максимум электромагнитного момента в двухфазном режиме работы явнополюсной синхронной машины. Для этого измерили электромагнитные моменты вентильного двигателя в аварийном режиме M, …, M, M, где i=1, 2, …n, задавая пошаговое увеличение угла φ от 0 с шагом , где n=12 - количество шагов на полупериоде угловой характеристики. Сравнили последующее M и предыдущее M значения электромагнитного момента, при выполнении условия M<M на третьем шаге определили угол коррекции как  (фиг.1), соответствующий значению максимального момента M=M. При работе электропривода входной величиной является сигнал с задатчика частоты вращения 11 (ЗЧВ). Из блока датчика положения ротора 10 (ДП) поступает в микроконтроллер 9 (МК) сигнал α углового положения вала синхронной машины 1 (CM), по которому микроконтроллер 9 (МК) вырабатывает задания для каждой фазы, поступающие в преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3). Блок диагностики 8 (БД) анализирует состояние преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и вырабатывает три бита отказа a, b, c, составляющих слово состояния электропривода, поступающее в микроконтроллер 9 (МК). По значениям сигналов с выходов датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) в микроконтроллере 9 (МК) корректируют мгновенные значения фазных токов синхронной машины 1 (CM) в случае обнаружения отказа в одной из фаз по выражениям:
для опережающей фазы вектора тока:
;
;
;
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
.
φ
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов, А;
σ - число двоичных разрядов выходного кода датчика положения ротора;
a
d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению d=a∪b∪c (∪ - логическая операция ИЛИ), если d=1 - есть отказ в одной из фаз; , , ,  - инверсные значения , b, c, d.
K
K
Из временных диаграмм переходных процессов (Фиг.3) при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы видно, что момент вентильного двигателя падает практически в 10 раз при аварийной ситуации без учета угла коррекции φ угловой характеристики, т.е. вентильный двигатель не поддерживает свойство живучести. При учете угла коррекции φ угловой характеристики (Фиг.4) падение частоты вращения и вращающего момента составляет не более 10%. То есть использование предложенного способа обеспечивает живучесть трехфазного вентильного двигателя.