ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПОВЫШЕННОЙ ЖИВУЧЕСТИ
ALTERNATING CURRENT DRIVE OF IMPROVED SURVIVABILITY

Предложение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах переменного тока с двухзвенными электрическими преобразователями частоты, к которым предъявляются высокие требования по обеспечению живучести. К таким электроприводам можно отнести электроприводы ответственных механизмов и автономных электроэнергетических систем, например электроприводы электроэнергетических установок судов, электровозов, электричек, экскаваторов и любых других подвижных объектов с системами электродвижения.
Известны устройства защиты электроприводов [патент US 2003/0214770 А1, МПК H02H 3/00, 20.11.2003 и патент DE 10148882 А1, МПК H02h 7/09, H02H 6/00, 20.06.2002], содержащие датчики тока и напряжения, установленные в элементах электропривода, по информации с которых производят определение требуемых переменных состояния электропривода и, в случае выхода контролируемых параметров за допустимые пределы, производится его отключение. Недостаток устройства заключается в отключении электропривода в случае выхода некоторых переменных состояния за допустимые пределы и отсутствии возможности продолжать работу электропривода. Известно устройство обеспечения живучести асинхронного электропривода эскалатора [патент JP 3293289, МПК B66B 25/00, B66B 27/00, B66B 29/00, 24.12.1991], содержащее источник переменного тока, выход которого подключен к входу двухзвенного преобразователя частоты, выход которого через первый контактор, соединен с обмотками электродвигателя и содержащее еще один контактор соединяющий источник переменного тока и асинхронный электродвигатель. Предложенное устройство обеспечивает работоспособность электропривода в случае выхода из строя электрического преобразователя. Живучесть обеспечивают диагностикой с последующим отключением питания двигателя от преобразователя частоты и переключением его напрямую к источнику переменного тока. Недостаток устройства заключается в невозможности работы электропривода при обрыве фазы двигателя, а также наличие контакторов, которые должны быть рассчитаны на полный ток нагрузки. К недостатку схемы также относится невозможность регулирования частоты вращения электропривода.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство асинхронного электропривода со свойством живучести [патент RU 67354 на ПМ, МПК H02P 5/408, 10.10.2007 и патент RU 2326480, МПК H02H 7/09, H02H 7/12, 10.06.2008]. Устройство содержит двухзвенный преобразователь частоты, выход которого через датчики тока подключен к входу асинхронного электродвигателя, содержащего вывод нулевой точки обмоток, который подключен в среднюю точку емкостного фильтра звена постоянного тока преобразователя частоты и соединенную с нулем источника переменного тока, питающего преобразователь частоты. Информационные выходы датчиков тока подключены к системе управления и в случае возникновения аварийной ситуации типа "обрыв фазы" реализуется алгоритм восстановления работоспособности электропривода с переходом на двухфазный режим работы электропривода и ограничением выходных переменных состояния. Недостатками устройства являются: обязательное наличие трехфазного источника переменного тока с заземленной нейтралью и содержащего нулевой провод, невозможность работы электропривода от источника постоянного тока, наличие сложного емкостного фильтра звена постоянного тока преобразователя частоты, содержащего нулевую точку. К недостаткам предложенного устройства также следует отнести значительное ограничение выходной мощности электропривода при его работе в аварийном двухфазном режиме работы. Следует отметить, что нулевой провод при такой схемотехнической реализации является рабочим в любом режиме работы электропривода.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить питание электропривода от трехфазной сети переменного тока с изолированной нейтралью либо от однофазной сети переменного тока, либо от сети постоянного тока. Электропривод позволяет использовать электрический преобразователь с простой схемотехнической реализацией емкостного фильтра звена постоянного тока, а также значительно повысить максимальную мощность на выходе при работе в двухфазном режиме до значения до 2/3 от номинальной. Такая схемотехническая реализация позволит продолжить работу электропривода в случае аварии типа "обрыв фазы" или в случае выхода из строя полупроводникового модуля инвертора преобразователя частоты.
Устройство, схема которого представлена на Фиг.1, содержит систему управления 1, трехфазную электрическую машину переменного тока 2 с выведенным нулевым проводом 3, три датчика тока 4, 5, 6, двухзвенный электрический преобразователь частоты 7. Вход преобразователя частоты 7 подключен к источнику электроэнергии переменного тока 8, а выход через три датчика тока 4, 5, 6 - к обмоткам трехфазной электрической машины 2 переменного тока, которые соединены звездой. Информационные выходы датчиков тока 4, 5, 6 подключены к входу системы управления 1 электрическим преобразователем, выходы которой подключены к управляющим входам силовых полупроводниковых ключей электрического преобразователя частоты 7. Преобразователь частоты 7 содержит два транзистора 9, 10 с обратными диодами 11, 12. Коллектор первого транзистора 9 подключен к "плюсовой" шине 13 звена постоянного тока электрического преобразователя частоты 7, а его эмиттер соединен с коллектором второго транзистора 10, эмиттер которого подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя 7. Нулевой провод 3 электродвигателя 2 подключен к эмиттеру первого транзистора 9 и коллектору второго транзистора 10.
Устройство электропривода переменного тока повышенной живучести может быть снабжено преобразователем частоты с реле и тормозным резистором 15 (Фиг.2). Один вывод тормозного резистора 15 подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя частоты 7, а реле состоит из катушки управления 16 и переключающего контакта 17, который соединяет эмиттер первого 9 и коллектор второго 10 транзисторов со вторым выводом тормозного резистора 15 (нормально-замкнутым контактом), либо эмиттер первого 9 и коллектор второго 10 транзисторов с нулевым проводом 3 электрического двигателя 2 (нормально-разомкнутым контактом), а катушка реле 16 подключена к системе управления 1.
Устройство электропривода переменного тока повышенной живучести и инвертор напряжения 18 преобразователя частоты 7 может получать питание от источника электроэнергии постоянного тока 19 (Фиг.3). При этом плюс источника электроэнергии постоянного тока 19 подключен к "плюсовой" шине 13 звена постоянного тока электрического преобразователя 7, минус источника электроэнергии постоянного тока 19 подключен к "минусовой" шине 14 звена постоянного тока электрического преобразователя 7.
Работа электропривода переменного тока повышенной живучести происходит следующим образом.
Датчики тока 4, 5, 6 являются информационными элементами, по информации с которых можно диагностировать неисправности электропривода типа "обрыв фазы" или выхода из строя полупроводникового модуля на "обрыв" полумоста фазы инвертора 18 преобразователя частоты 7.
<mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow>
В штатном режиме работы действующие значения токов электродвигателя равны между собой, сумма мгновенных значений токов трех фаз равна нулю и фазы токов сдвинуты на угол
друг относительно друга. При этом на статоре электрической машины переменного тока образуется вращающееся круговое магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем ротора, увлекает его за собой и осуществляет электромеханическое преобразование энергии. На этом принципе основана работа электрических машин переменного тока.
В штатном режиме работы инвертора 18 преобразователя частоты 7 на его выходе формируются линейные напряжения, регулируя которые можно изменять переменные состояния электропривода по заданному алгоритму. Функции управления ключами инвертора, например при законе управления двухполярной синусоидальной ШИМ, определяются согласно
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>3</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>6</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
<mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>x</mi><mrow><mrow><mo>|</mo><mi>x</mi><mo>|</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mi>π</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>arccos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>cos</mi><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ω</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>+</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow>
a
мод
мод
1
где
- знаковая функция; U=k·sin(ω·r),
- напряжение управления; k - коэффициент модуляции; ω - частота напряжения управления;
- опорное пилообразное напряжение; ω - частота опорного пилообразного напряжения.
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac><mo>.</mo></mrow>
В случае обрыва фазы двигателя или выхода из строя модуля инвертора действующее значение тока в неисправной фазе электродвигателя становится равным нулю, а мгновенные значения токов в оставшихся двух фазах становятся равными по амплитуде и находятся в противофазе. В результате чего образуется не вращающееся, а пульсирующее магнитное поле и значительно падает величина электромагнитного момента электрической машины 2. Для получения вращающегося кругового поля необходимо как минимум две обмотки с независимым их питающим напряжением, которое необходимо сдвинуть на угол, определяемый углом расположения фаз друг относительно друга в пространстве. Таким образом, для получения кругового вращающего поля в аварийном двухфазном режиме работы электропривода необходимо обеспечить возможность независимого формирования питающего напряжения двух оставшихся фаз, что можно осуществить с использованием нулевого провода 3 электродвигателя 2. С учетом того, что обмотки фаз электрической машины переменного тока сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол 120°, необходимо осуществлять их питание напряжением одинаковой амплитуды и частоты, но сдвинутыми друг относительно друга на угол
<mrow><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow>
Таким образом, в случае обнаружения отказа в одной из фаз электродвигателя, датчики тока 4, 5, 6 должны отследить это изменение и система управления 1 должна изменить функции управления ключами инвертора таким образом, чтобы отключить неисправную фазу, а на двух оставшихся формировать потенциалы, равные по величине, но сдвинутые по фазе на угол
, при этом необходимо формировать на нулевом проводе 3 двигателя 2 нулевой потенциал посредством управления полумостом, состоящим из транзисторов 9 и 10 преобразователя частоты 7.
Для примера составим функции управления ключами инвертора для управления преобразователем частоты 7 в аварийном двухфазном режиме в случае обрыва фазы "W" электродвигателя по информации с датчика тока 4. В результате произойдет активизация аварийного двухфазного режима работы преобразователя частоты 7 с формированием функции управления ключами согласно алгоритму
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>a</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>3</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>4</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>5</mn><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>6</mn><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>9</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd><mtd><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi><mn>10</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>o</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
a
мод
0
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>b</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
при этом U=k·sin(ω·t),
U=0.
0
u
ном
мод
u0
u
0
v0
v
0
<mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>v</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>м</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>k</mi><mrow><mi>м</mi><mi>о</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>ω</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo>−</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>3</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mrow>
В результате чего на выходе преобразователя частоты 7 формируются потенциалы φ=0, φ=U·k·sin(ω·t),
при этом напряжения на рабочих фазах двигателя равны U=φ-φ, U=φ-φ.
Таким образом, предложенное алгоритмическое обеспечение и схемотехническая реализация позволят реализовать аварийный двухфазный режим работы электропривода переменного тока повышенной живучести.
На Фиг.2 приведена схемная реализация электропривода переменного тока повышенной живучести, в котором на вновь введенных элементах совмещены функции восстановления работоспособности электропривода в аварийном режиме и возможность осуществления торможения электропривода в штатном режиме его работы. В штатном режиме работы катушка реле 16 находится в обесточенном состоянии, при этом тормозной резистор 15 через нормально замкнутый контакт 17 реле и транзисторный ключ 9 подключен к шинам 13 и 14 звена постоянного тока преобразователя частоты 7. В режиме торможения, когда частота вращения магнитного поля ротора электропривода выше частоты выходного напряжения преобразователя частоты 7, кинетическая энергия, запасенная в роторе машины и исполнительном механизме, преобразуется в электрическую и в виде тока возвращается в звено постоянного тока, заряжая конденсатор. В том случае, когда напряжение на конденсаторе становится выше допустимого значения, происходит его разряд за счет работы транзистора 9 в режиме ШИМ, в результате чего происходит рассеивание этой энергии в тормозном резисторе 15 в виде тепла. Если необходимо осуществить активацию аварийного двухфазного режима работы электропривода переменного тока по информации с датчиков тока 4, 5, 6, то на катушку реле 16 система управления 1 подаст напряжение. В результате, катушка реле 16 сработает и переключит контакт 17, в результате чего эмиттер транзистора 9 и коллектор транзистора 10 будут соединены с нулевым проводом 3 электрической машины 2. После чего будет активизирован двухфазный режим управления инвертором 18 преобразователя частоты 7 по алгоритму, приведенному ранее. Таким образом, схемная реализация, изображенная на Фиг.2, позволяет совместить несколько функциональных назначений, возложенных на вновь введенные транзисторы 9 и 10.
На Фиг.3 приведена возможность питания преобразователя частоты от источника постоянного напряжения 19, подключенного к шинам 13 и 14 звена постоянного тока, при этом расширяются функциональные возможности и универсальность предложенного электропривода переменного тока повышенной живучести.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет, в случае отказа в одной из фаз электрической машины переменного тока, обеспечить аварийный двухфазный режим работы электропривода с сохранением вращения электродвигателя, а также обеспечить возможность повторного пуска реверса и штатной работы электропривода с мощностью на валу не более 2/3 от номинальной. Предложенное схемное решение позволяет осуществлять питание электропривода от любых источников электроэнергии как переменного тока с различным числом фаз и различными типами нейтрали, так и постоянного тока, что добавляет универсальности предложенному решению.