ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ЭКСТРЕМАЛЬНЫМ РЕЖИМОМ РАБОТЫ
VALVE-INDUCTOR ELECTRIC DRIVE WITH EXTREME OPERATING CONDITION

Изобретение относится к области электротехники и силовой промышленной электроники, а именно к управляемым электроприводам на базе индукторных двигателей (имеющим статор, на котором расположены несколько фазных обмоток, образующих полюсы электромагнитной системы двигателя и зубчатый безобмоточный ротор) большой мощности, работающих в широком диапазоне регулирования скорости и момента с высокими значениями кпд. Изобретение может быть использовано в различных отраслях (энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство, судостроение и т.д.). Преимущественная область применения - системы электродвижения подводных обитаемых и необитаемых аппаратов, в том числе морских торпед.
Известен вентильный электропривод (Патент РФ №2366069 на изобретение ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 24.12.2007, МПК Н02Р 6/00 (2006.01), Н02Р 6/06 (2006.01), Н02Р 6/16 (2006.01), Патентообладатель: ООО "НИИ МЕХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ") (RU)).
Электропривод содержит электродвигатель, устройство формирования цифрового сигнала скорости, преобразователь «код-ШИМ», коммутатор, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, устройство определения ошибки по положению и устройство определения рассогласования по скорости, устройство выделения модуля и наблюдатель скорости, составленный из двух сумматоров, интегратора, устройства выделения модуля, функционального преобразователя и устройства умножения. Наблюдатель скорости по сигналу вырабатывает сигнал оценки, используемый в электроприводе в качестве обратной связи.
Основными недостатками данного электропривода являются:
- отсутствие возможности реализации процесса управления для получения максимально допустимых значений момента на валу двигателя электропривода;
- относительная сложность реализации обратной связи по скорости.
Также известен вентильно-индукторный электропривод (Патент РФ №2225067 на изобретение ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 21.06.2002, МПК 7 Н02Р 6/06, Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский энергетический институт (Технический университет) (RU)).
Вентильно-индукторный электропривод содержит контур регулирования частоты вращения, силовой преобразователь, к выходу которого подключены фазные обмотки электродвигателя, коммутатор фаз, входы которого подключены к выходам регулятора угла включения и задатчика угла отключения фаз, а выходы соединены с входами коммутации фаз силового преобразователя, установленные на валу электродвигателя датчик частоты вращения и датчик положения ротора, выход второго из которых подключен к третьему входу коммутатора фаз. В электропривод введены блок умножения на постоянный коэффициент и последовательная цепь из пропорционального усилителя с ограничением выходного сигнала, блока перемножения и сумматора, при этом входы пропорционального усилителя с ограничением выходного сигнала и блока умножения на постоянный коэффициент соединены с выходом регулятора частоты вращения, ко второму входу сумматора подключен выход блока умножения на постоянный коэффициент, второй вход блока перемножения соединен с выходом датчика частоты вращения, а выход сумматора подключен к входу управления напряжением силового преобразователя.
Основным недостатком вентильно-индукторного электропривода является необходимость ручного задания угла отключения фаз и постоянного угла включения у регулятора угла включения для коммутатора фаз силового преобразователя, что не позволяет электроприводу оперативно регулировать значение момента на валу двигателя.
Известен вентильный электропривод (Патент РФ №59905 на полезную модель ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СО СВОЙСТВОМ ЖИВУЧЕСТИ от 08.08.2006, МПК Н02К 29/06 (2006.01), Н02Р 6/00 (2006.01), Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)), содержащий трехфазный синхронный двигатель (выполненный в виде m-фазной синхронной машины, где m≥3), на валу которого установлен датчик положения ротора, три преобразовательных ячейки трехфазного преобразователя частоты, подключенные к источнику питания через соответствующие датчики состояния фаз, при этом преобразовательные ячейки соединены с обмотками синхронного электродвигателя через датчики тока, которые подключены к датчикам состояния фаз, задатчик частоты вращения, микроконтроллер, к которому подключены m датчиков состояния фаз, m преобразовательных ячеек m-фазного преобразователя частоты, m датчиков тока, датчик положения и задатчик частоты вращения.
Основными недостатками данного технического решения являЮтся:
- относительная сложность электропривода, использующего большое число датчиков;
- отсутствие обратной связи по скорости и, как следствие, возможности стабилизации скорости вращения ротора двигателя.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является схема питания вентильного индукторно-реактивного двигателя (см. фиг.2 и раздел «Раскрытие сущности изобретения» в описании изобретения по Патенту РФ №2352048 ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ от 08.08.2007, МПК Н02К 19/06 (2006.01), Н02К 19/10 (2006.01), Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "ИРИС" (RU)).
Питание обмоток вентильного индукторно-реактивного двигателя (содержащего безобмоточный ротор с зубцами, а зубцы статора охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система) по прототипу осуществляется с помощью типового m-фазного мостового инвертора напряжения, который включает: микропроцессорную систему управления 4, датчик положения ротора 5, выпрямитель 6, конденсаторный фильтр 7-8, трехфазный мостовой инвертор 9. Выходы инвертора 9 через диоды подключены к двум трехфазным обмоткам ВИРД 10, соединенным в «звезду» с нейтралью. Причем первая трехфазная обмотка А-В-С соединена с выходами инвертора 9 через диоды, включенные в прямом направлении, а вторая трехфазная обмотка А′-В′-С′ - через диоды, включенные в обратном направлении.
Недостатками данной схемы питания обмоток вентильного индукторно-реактивного двигателя, которую можно также именовать вентильным индукторно-реактивным электроприводом, являЮтся:
- отсутствие возможности реализации процесса управления вентильным индукторно-реактивным двигателем для получения максимально допустимых значений момента на валу и скорости вращения ротора двигателя электропривода;
- отсутствие возможности как местного, так и дистанционного задания скорости вращения двигателя;
- отсутствие возможности ограничения значений переходных перенапряжений, а также облегчения теплового режима при включениях-отключениях силовых ключей (транзисторов или тиристоров) инвертора напряжения.
Целью изобретения является обеспечение максимально допустимой скорости вращения двигателя в экстремальном режиме работы, когда главные параметры электропривода в течение кратковременного периода времени значительно превышают номинальные значения.
Поставленная цель достигается тем, что в вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы, состоящий из микропроцессорной системы управления, конденсаторного фильтра, подключенного через инвертор к входу индукторного двигателя, выход которого соединен с входом датчика положения ротора, введены внешняя система управления, шина информационного обмена, местная панель управления, адаптер шины информационного обмена, блок базы данных, блок сравнения значений скорости, блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления, блок драйверов силовых ключей, блок определения скорости, сеть напряжения постоянного тока и блок снаббера; выход сети напряжения постоянного тока подключен к входу конденсаторного фильтра, второй силовой выход инвертора подключен к входу блока снаббера; внешняя система управления через шину информационного обмена подключена к адаптеру шины информационного обмена; блок сравнения значений скорости через последовательно соединенные блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления и блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу инвертора; к первому входу блока сравнения значений скорости подключен первый выход местной панели управления, ко второму входу - первый выход адаптера шины информационного обмена, к третьему - выход блока определения скорости; к первому входу блока базы данных подключен второй выход а шины информационного обмена, ко второму входу - второй выход местной панели управления, выход блока базы данных подключен к первому входу блока определения углов коммутации; выход датчика положения ротора одновременно соединен с входом блока определения скорости и третьим входом блока определения углов коммутации.
Причем местная панель управления, адаптер шины информационного обмена, блок базы данных, блок сравнения значений скорости, блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления, блок драйверов силовых ключей и блок определения скорости входят в состав микропроцессорной системы управления, а блок базы данных микропроцессорной системы управления выполнен с возможностью использования первого и второго пакетов постоянных данных для управления электроприводом, подобранных расчетными методами, уточненных экспериментальным путем и обеспечивающих соответственно экстремальный и номинальный режимы работы вентильно-индукторного электропривода.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом вентильно-индукторном электроприводе для обеспечения экстремального режима, когда главные его параметры (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) могут кратковременно значительно превышать номинальные значения, предусмотрена возможность использования специально подобранного пакета управляющих данных, записанных в блоке базы данных микропроцессорной системы управления, а для повышения нагрузочной способности инвертора применен блок снаббера.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена функционально-структурная схема вентильно-индукторного электропривода с экстремальным режимом работы.
Согласно фиг.1 вентильно-индукторный электропривод содержит внешнюю систему управления 1, шину информационного обмена 2; микропроцессорную систему управления 3, состоящую из местной панели управления 4, адаптера шины информационного обмена 5, блока базы данных 6, блока сравнения значений скорости 7, блока пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, блока определения углов коммутации 9, блока управления 10, блока драйверов силовых ключей 11 и блока определения скорости 12; сеть напряжения постоянного тока 13, конденсаторный фильтр 14, инвертор 15, блок снаббера 16, индукторный двигатель 17 и датчик положения ротора 18.
Выход сети напряжения постоянного тока 13 через последовательно соединенные конденсаторный фильтр 14, инвертор 15 и индукторный двигатель 17 подключен к датчику положения ротора 18. Второй силовой выход инвертора 15 подключен к входу блока снаббера 16.
Внешняя система управления 1 через шину информационного обмена 2 подключена к адаптеру шины информационного обмена 5.
Блок сравнения значений скорости 7 через последовательно соединенные блок пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, блок определения углов коммутации 9, блок управления 10 и блок драйверов силовых ключей 11 подключен к управляющему входу инвертора 15.
К первому входу блока сравнения значений скорости 7 подключен первый выход местной панели управления 4, ко второму входу - первый выход адаптера шины информационного обмена 5, к третьему - выход блок определения скорости 12.
К первому входу блока базы данных 6 подключен второй выход адаптер шины информационного обмена 5, ко второму входу - второй выход местной панели управления 4, выход блока базы данных 6 подключен к первому входу блока определения углов коммутации 9.
Выход датчика положения ротора 18 одновременно соединен с входом блока определения скорости 12 и третьим входом блока определения углов коммутации 9.
В зависимости от объекта применения вентильно-индукторного электропривода в качестве внешней системы управления 1 используются:
дистанционная система управления (телеуправление по проводам, гидроакустическим каналам связи и т.д.) необитаемых подводных аппаратов, в том числе, морскими торпедами;
система управления, используемая оператором для управления обитаемым подводным аппаратом в целом.
Шина информационного обмена 2 может быть, в зависимости от условий эксплуатации, выполнена на базе одного из интерфейсов: RS-485, CAN 2.0, MIL-STD1553B и Ethernet.
Местная панель управления 4 представляет собой комплект органов управления (кнопки, тумблеры и т.д.) и средств отображения информации (индикаторы, табло и т.д.), предназначенный для задания режима работы и скорости вращения двигателя вентильно-индукторного электропривода, установленного в необитаемом подводном аппарате, перед началом его использования по прямому назначению.
Адаптер шины информационного обмена 5 может быть реализован как с помощью отдельной специализированной интегральной микросхемы (например, для обеспечения информационного по интерфейсу RS-485 используется контроллер ADM3074EYRZ фирмы «Analog Devices»), так и входить в состав блока гальванически развязанных интерфейсов микроконтроллера, на базе которого скомпонована микропроцессорная система управления 3 в целом.
Блоки базы данных 6, сравнения значений скорости 7, пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, определения углов коммутации 9, управления 10 и определения скорости 12 являются программно-аппаратными средствами, то есть представляют собой микропрограммы, исполняемые в аппаратной среде высокопроизводительного микропроцессора, например микроконтроллера TMS320LF2406A фирмы «Texas Instruments».
Блок драйверов силовых ключей 11 представляет собой комплект специализированных интегральных микросхем, например IRS2153S фирмы ((International Rectifier», предназначенный для управления IGBT-ключами (транзисторами) инвертора 15.
Сеть напряжения постоянного тока 13 для необитаемых и обитаемых подводных аппаратов, как правило, реализована на базе аккумуляторных батарей высокой емкости и/или установки с электрохимическим генератором.
Конденсаторный фильтр 14 предназначен для защиты сети напряжения постоянного тока 13 от импульсно-коммутационных перенапряжений, сопровождающих работу инвертора 15, а также для стабилизации значения напряжения (уменьшения падения напряжения) на его входе при больших токах нагрузки инвертора 15 (токов в обмотках статора индукторного двигателя 17).
Инвертор 15, предназначенный для питания обмотки статора индукторного двигателя 17, представляет собой управляемый многофазный (в частном случае, трехфазный) преобразователь напряжения постоянного тока в переменное напряжение, реализованный на IGBT-ключах (IGBT-транзисторах).
Блок снаббера 16 представляет собой, как правило, комплект R-C цепочек (иногда дополняемый диодом), подключаемых параллельно IGBT-ключам инвертора 15 (к эмиттеру и коллектору IGBT-транзисторов). Цепочки снаббера, номиналы компонентов которых подбираются расчетно-экспериментальным методом, предназначены для ограничения переходных перенапряжений при включениях-отключениях IGBT-ключей, а также облегчения теплового режима при закрывании IGBT-ключа, за счет отбора на себя части динамических потерь, что позволяет значительно повысить надежность инвертора 15 в целом при работе на предельно допустимую нагрузку.
Индукторный двигатель 17 представляет собой электромеханический преобразователь энергии с многофазной (в частном случае, трехфазной) обмоткой статора, образующей «m» полюсов электромагнитной системы двигателя, и безобмоточного ротора с «m» магнитными зубцами.
В качестве датчика положения ротора 18 используется фотоэлектрический датчик, предназначенный для замыкания обратной связи по положению ротора двигателя.
Предлагаемый электропривод работает следующим образом.
Перед началом использования по прямому назначению объекта, на котором установлен рассматриваемый вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы, включается в работу сеть напряжения постоянного тока 13, питающее напряжение которой через конденсаторный фильтр 14 поступает на вход инвертора 15, а также на источник питания (входящий в состав микропроцессорной системы управления 3, но с целью упрощения, на фиг.1 не показан), обеспечивающий электропитание стабилизированным низковольтным напряжением постоянного тока (например, напряжением 15 В) ее аппаратных средств (местная панель управления 4, адаптер шины информационного обмена 5, блок базы данных 6, блок сравнения значений скорости 7 и т.д.). После поступления питания на местной панели управления 4 загорается индикатор «Питание включено», далее с помощью органов управления формируются команда управления «Режим работы» и сигнал управления «Значение скорости». В зависимости от типа объекта и решаемых им задач команда «Режим работы» позволят установить для электропривода один из двух режимов: «Экстремальный» или «Номинальный», а сигнал управления «Значение скорости» позволяет задать требуемую скорость вращения индукторного двигателя 17 (от минимальной до предельно допустимой максимальной скорости, например до 2700 об/мин). В «Экстремальном» режиме главные параметры электропривода (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) значительно превышают номинальные значения, вследствие чего может быть обеспечен только весьма ограниченный период времени функционирования, после истечения которого с большой вероятностью произойдет необратимое разрушение основных силовых элементов электропривода (например, пробой изоляции и перегорание обмоток статора индукторного двигателя 17, расплав кристаллов IGBT-транзисторов инвертора 15 и т.д.). Во втором режиме главные параметры не выходят за рамки номинальных значений, при которых гарантируется надежная работа электропривода в течение достаточно длительного времени, например значительной части (или всего) срока службы.
Рассмотрим работу предлагаемого вентильно-индукторного электропривода в составе системы электродвижения необитаемого подводного аппарата после задании «Экстремального» режима работы и предельно допустимой максимальной скорости вращения ротора индукторного двигателя 17. Команда управления «Режим работы», поступившая с местной панели управления 4 на второй вход блока базы данных 6, инициирует работу электропривода в экстремальном режиме. При этом в блоке базы данных 6 микропроцессорной системы управления 3 активируется первый пакет постоянных данных (в которых содержатся предельные значения параметров двигателя, функциональные зависимости временных параметров управления от скорости вращения и алгоритмы разгона, стабилизации скорости вращения и т.д.), специально подобранных расчетным путем с использованием методов математического моделирования (и уточненных для реального типоразмера опытного образца индукторного двигателя экспериментальным путем) для гарантированного обеспечения функционирования электропривода только в течение ограниченного периода времени. Одновременно с этим сигнал управления «Значение скорости» через блок сравнения значений скорости 7 поступает на второй вход блока пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, который формирует соответствующие управляющие воздействия для блока определения углов коммутации 9. Блок определения углов коммутации 9 обрабатывает эти управляющие воздействия (то есть определяет моменты подачи импульсов, ширину и значение пауз управляющих импульсов и т.д.) и формирует сигналы управления, поступающие через блок управления 10 на вход блока драйверов силовых ключей 11, который, в свою очередь, усиливает и транслирует эти управляющие воздействия на управляющий вход инвертора 15. Инвертор 15 производит преобразование входного напряжения сети напряжения постоянного тока 13 в регулируемое (в требуемом диапазоне значений) напряжение переменного тока. При поступлении питающих напряжений переменного тока от инвертора 15 в многофазную обмотку, образующую m магнитных полюсов статора индукторного двигателя 17, создается вращающее электромагнитное поле, которое взаимодействуя с «m» магнитными зубцами диска ротора, увлекает их за собой, создавая вращающий момент и «раскручивая» ротор и внешний вал индукторного двигателя 17. При этом от датчика положения ротора 18 начинают поступать сигналы обратной связи по положению ротора индукторного двигателя 17 в блок определения углов коммутации 9, позволяющие этому блоку оперативно корректировать моменты подачи импульсов, ширину и значение пауз управляющих импульсов и т.д. для управления инвертором 15, производя в соответствии с записанным в блоке базы данных 6 алгоритмом разгон индукторного двигателя 17. Кроме этого, сигналы обратной связи по положению ротора от датчика положения ротора 18 начинают поступать через блок определения скорости 12 на третий вход блока сравнения значений скорости 7, замыкая обратную связь электропривода по скорости и обеспечивая, в конечном итоге, формирование управляющих воздействий (момент подачи импульса, ширина управляющего импульса, значение паузы и т.д.) блоком определения углов коммутации 9 микропроцессорной системы управления 3 с учетом не только сигналов обратной связи по положению, но и сигналов обратной связи по скорости вращения ротора индукторного двигателя 17. А после разгона двигателя 17 до заданной скорости микропроцессорная система управления 3 с помощью данной обратной связи обеспечивает стабилизацию скорости вращения ротора.
Ограничение переходных перенапряжений и облегчение теплового режима IGBT-ключей инвертора 15 при предельно напряженном (экстремальном) режиме работы электропривода в процессе разгона и стабилизации скорости вращения индукторного двигателя 17 обеспечивается блоком снаббера 16.
В предлагаемом электроприводе при необходимости имеется возможность от внешней системы управления 1 по шине информационного обмена 2 с помощью адаптера информационной шины 5 изменить (заданное первоначально) значение скорости вращения индукторного двигателя (путем подачи соответствующего сигнала на второй вход блока сравнения значений скорости 7), а также переключить режим работы электропривода с «Экстремального» на «Номинальный» (путем подачи соответствующей команды на первый вход блок базы данных 6). В «Номинальном» режиме работы (который помимо внешней системы управления 1 также может быть задан перед началом использования по прямому назначению объекта с помощью местной панели управления 4) в блоке базы данных 6 микропроцессорной системы управления 3 активируется предварительно записанный второй пакет постоянных данных, которые подобраны таким образом, что обеспечивают для электропривода с конкретным типоразмером индукторного двигателя функционирование в течение достаточно длительного периода времени. В остальном, функционирование предлагаемого электропривода в «Номинальном» режиме работы совершенно аналогично режиму «Экстремальный».
К техническим результатам, полученным в предлагаемом изобретении, относятся следующие:
- обеспечение вентильно-индукторным электроприводом (при использовании по прямому назначению объекта, на котором он установлен) экстремального режима, когда главные его параметры (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) могут кратковременно значительно превышать номинальные значения;
- предоставление возможности работы электропривода в номинальном режиме в течение длительного периода времени;
- обеспечение возможности управления режимом работы электропривода и скоростью вращения индукторного двигателя от внешней системы управления.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый электропривод может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.
Предлагаемые технические решения практически реализованы ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)» в опытных образцах вентильно-индукторных электроприводов, предназначенных для использования в составе энергосиловой движительной установки, шифр изделия «Электромодуль - ВИПТ-140/ВИПТ-750».
Таким образом, в предлагаемом электроприводе за счет подбора расчетными методами и уточнения экспериментальным путем пакета постоянных данных для управления электроприводом, записанных в блоке базы данных микропроцессорной системы управления, а также применения блока снаббера и только одного датчика положения ротора (без использования многочисленных датчиков напряжения, тока, скорости и температуры), обеспечивается возможность гарантированного функционирования электропривода в экстремальном режиме в течение ограниченного периода времени или в номинальном режиме достаточно длительное время.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом РФ на изобретение.