ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СО СВОЙСТВОМ ЖИВУЧЕСТИ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при непрерывной и длительной работе вентильно-индукторного электропривода в составе технологического оборудования.
Известен вентильно-индукторный электропривод (RU 53515 U1, МПК Н02М 5/40 (2006.01), опубл. 10.05.2006), выбранный в качестве прототипа, содержащий электродвигатель, имеющий многофазную статорную обмотку, разделенную на независимые каналы, датчик положения ротора, устройства автоматического включения резерва, соответствующие вводы которых соединены между собой и с фидерами сетевого питания, а выходы подключены к входам трансформаторов напряжения. Выходы трансформаторов соединены с независимыми между собой входами устройства распределения силового питания с коммутационной и защитной аппаратурой. Входы преобразователей частоты соединены с независимыми между собой выходами устройства распределения силового питания. Станция управления двигателем с коммутационной и защитной аппаратурой подключена своими независимыми входами к соответствующим силовым выходам преобразователей частоты, а независимыми выходами соединена с соответствующими статорными обмотками электродвигателя. Каждый преобразователь частоты имеет выходы для питания независимой обмотки возбуждения электродвигателя, а также информационные входы, подключенные к выходу датчика положения ротора. Все преобразователи частоты соединены между собой локальной промышленной сетью, к которой подключены интеллектуальные модули.
Этот вентильно-индукторный электропривод позволяет задавать необходимый режим работы в случае аварийного пропадания напряжения на одном из фидеров и автоматически переключиться на другой фидер с кратковременным использованием во время переключения заложенного резерва по мощности электродвигателя, вследствие чего электропривод продолжает работать без остановки и потери мощности, а при восстановлении напряжения на аварийном фидере позволяет переключиться обратно и вернуться в исходный режим работы электропривода.
Недостатком этого технического решения является низкая отказоустойчивость для неисправности типа: «невыключение» ключа в одной из преобразовательных ячеек преобразователя частоты, приводящая к отключению целиком всего независимого канала с оставшимися работоспособными фазами статорной обмотки и преобразователя частоты. Кроме того этот электропривод не обеспечивает живучесть при неисправности типа: «невключение» ключа в одной из ячеек преобразователя частоты или при обрыве обмотки статора, которые приводят к провалам по моменту при вращении за счет выбывшей из работы фазы.
Задачей полезной модели является повышение отказоустойчивости вентильно-индукторного электропривода при аварийном отключении одной из фаз двигателя при неисправностях типа: «невыключение», «невключение» ключа преобразовательной ячейки или обрыв обмотки статора.
Поставленная задача решена за счет того, что вентильно-индукторный электропривод со свойством живучести, также как в прототипе, содержит вентильно-индукторный электродвигатель, имеющий многофазную статорную обмотку, разделенную на n независимых каналов, где n≥2 и с m-фазным выполнением каждого канала, где m≥3, причем статорная обмотка подключена к n многофазным преобразователям частоты, подключенным к n независимым источникам питания, датчик положения ротора.
Согласно полезной модели вентильно-индукторный двигатель подключен к каждой преобразовательной ячейке через датчики тока, которые связаны с микроконтроллером. Защитные элементы подключены к каждой m преобразовательной ячейке каждого n-го преобразователя частоты и к соответствующему источнику питания. Преобразовательные ячейки подключены к отрицательному выводу соответствующего источника питания. Все защитные элементы и преобразовательные ячейки подключены к микроконтроллеру. На валу вентильно-индукторного электродвигателя установлен датчик положения, который связан с микроконтроллером, к которому подключен задатчик частоты вращения вала электродвигателя.
Каждый защитный элемент состоит из плавкой вставки, подключенной одним концом к плюсовому выводу соответствующего источника питания, а другим концом к преобразовательной ячейке и к аноду тиристора, катод которого и преобразовательная ячейка подключены к минусовому выводу того же источника питания, а управляющий электрод тиристора подключен к микроконтроллеру.
Каждая преобразовательная ячейка состоит из силового ключа, подключенного к первому выводу обмотки статора электродвигателя и отрицательному выводу источника питания, вторым выводом статорная обмотка подключена к соответствующему защитному элементу, силовой ключ связан с микроконтроллером, параллельно силовому ключу подключен диод, анод которого соединен с отрицательным выводом источника питания, а катод подключен к первому выводу статорной обмотки, параллельно статорной обмотке подключен диод, анод которого соединен с первым выводом обмотки статора, а катод подключен ко второму выводу статорной обмотки вентильно-индукторного электродвигателя.
В прототипе в случае неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки возникает аварийная ситуация: происходит перегрузка по короткому замыканию источника питания соответствующего канала с последующим отключением этого канала от источника питания. Кроме того от начала развития аварийной ситуации до срабатывания защитного отключения канала фаза электродвигателя формирует тормозной момент. В случае выявления неисправностей типа: «невключение» ключа преобразовательной ячейки или обрыве обмотки статора защитное отключение не срабатывает, электродвигатель продолжит работу, но с провалами по моменту при вращении за счет выбывшей из работы фазы.
В заявляемом техническом решении микроконтроллер на основе анализа соответствующих фазных токов, производит непрерывную диагностику рабочего состояния преобразовательных ячеек, и в случае наличия неисправности типа «невыключение» ключа преобразовательной ячейки формируется бит отказа преобразовательной ячейки типа «невыключение». Бит отказа типа «невыключение» включает соответствующий защитный элемент, происходит перегорание плавкой вставки по принудительно включаемому коротящему тиристору, в результате чего обеспечивается блокирование отказавшей ячейки m-фазного преобразователя, при этом оставшиеся m-1 преобразовательные ячейки канала продолжат свою работу.
Соответствующая преобразовательная ячейка дополнительного n независимого канала получает увеличенное задание на ток, в результате чего происходит компенсация момента двигателя, без формирования тормозного момента как это было в случае прототипа.
В случае выявления неисправностей типа: «невключение» ключа преобразовательной ячейки или обрыве обмотки статора формируется бит отказа преобразовательной ячейки типа «невключение». Срабатывания защитного элемента не происходит. Соответствующая преобразовательная ячейка второго независимого канала получает увеличенное задание на ток, в результате чего происходит компенсация момента электродвигателя выбывшей из работы фазы, но без провалов по моменту работающего электродвигателя, как было в прототипе.
Таким образом, обеспечивается функционирование электропривода с полным исчерпанием его избыточного структурного резерва за счет независимых каналов при n≥2 с повышенной отказоустойчивостью и обеспечением свойства живучести при аварийной ситуации в процессе непрерывной и длительной работы в составе технологического оборудования.
На фиг.1 представлена функциональная схема трехфазного вентильно-индукторного электропривода с двумя независимыми каналами.
На фиг.2 представлен вариант исполнения схемы защитных элементов для преобразовательной ячейки.
На фиг.3 представлена функциональная схема преобразовательной ячейки, предназначенной для управления отказоустойчивым вентильно-индукторным двигателем.
Вентильно-индукторный электропривод со свойством живучести (фиг.1) содержит вентильно-индукторный двигатель 1 (ВИД), который через датчики тока 2, 3, 4 соответственно подключен к преобразовательным ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3). Вентильно-индукторный двигатель 1 (ВИД) через датчики тока 8, 9, 10 соответственно подключены к преобразовательным ячейкам 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6). Преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) соответственно соединены с защитными элементами 14 (ЗЭ1), 15 (ЗЭ2), 16 (ЗЭ3), а преобразовательные ячейки 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6) соответственно соединены с защитными элементами 17 (ЗЭ4), 18 (ЗЭ5), 19 (ЗЭ6). Защитные элементы 14 (ЗЭ1), 15 (ЗЭ2), 16 (ЗЭ3) подключены к плюсовому выводу 20 первого источника питания. Защитные элементы 17 (ЗЭ4), 18 (ЗЭ5), 19 (ЗЭ6) подключены к плюсовому выводу 21 второго источника питания. К выводам преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), подключен отрицательный вывод 22 первого источника питания. К выводам преобразовательных ячеек 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6) подключен отрицательный вывод 23 второго источника питания. Выходы датчиков тока 2, 3, 4, 8, 9, 10 подключены к микроконтроллеру 24 (МК). На валу вентильно-индукторного двигателя 1 (ВИД) установлен датчик положения 25 (ДП), выход которого подключен к микроконтроллеру 24 (МК). Задатчик частоты вращения вала двигателя 26 (ЗЧВ) подключен к микроконтроллеру 24 (МК).
Защитные элементы 14 (ЗЭ1), 15 (ЗЭ2), 16 (ЗЭ3) одинаковы. Каждый защитный элемент, например 14 (ЗЭ1), состоит из плавкой вставки 27 (фиг.2), подключенной одним концом к плюсовому выводу 20 источника питания, а другим концом к преобразовательной ячейке, например 5 (ПЯ1), выполненной по схеме изображенной на фиг.3 и к аноду тиристора 28, катод которого подключен к отрицательному выводу 22 источника питания. Управляющий электрод тиристора 28 подключен к микроконтроллеру 24 (МК).
Защитные элементы 17 (ЗЭ4), 18 (ЗЭ5), 19 (ЗЭ6) одинаковы и состоят из тех же элементов, что и защитные элементы 14 (ЗЭ1), 15 (ЗЭ2), 16 (ЗЭ3), но их плавкая вставка 27 подключена к плюсовому выводу 21 второго источника питания, а анод тиристора 28 подключен к отрицательному 23 выводу второго источника питания.
Преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) одинаковы. Например, 5 (ПЯ1), состоит из управляемого ключа 29 (фиг.3), подключенного между первым выводом статорной обмотки электродвигателя и отрицательным выводом источника питания 22. Вторым выводом статорная обмотка подключена к соответствующему защитному элементу, например 14 (ЗЭ1). Силовой ключ 29 связан с микроконтроллером 24 (МК). Параллельно силовому ключу 29 подключен диод 30, анод которого соединен с отрицательным выводом источника питания 22, а катод подключен к точке соединения нижнего вывода статорной обмотки с силовым ключом 29, параллельно статорной обмотке подключен диод 31, анод которого соединен с первым выводом обмотки статора, а катод подключен ко второму выводу статорной обмотки.
Преобразовательные ячейки 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6) одинаковы и состоят из тех же элементов, что и преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), но их силовой ключ 29 и анод диода 30 подключены к отрицательному выводу 23 второго источника питания.
Преобразователь частоты 32 (ПЧ1) состоит соответственно из преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3). Преобразователь частоты 33 (ПЧ2) состоит соответственно из преобразовательных ячеек 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6).
В качестве вентильно-индукторного двигателя 1 (ВИД) можно выбрать любой m-фазный двигатель, например вентильно-индукторный электродвигатель со степенью защиты IP 44, изготовленный в корпусе АИР80 А4. В качестве датчиков тока 2, 3, 4, 8, 9, 10 могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, например, модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Датчик положения 25 (ДП) может быть любого типа с аналоговым или цифровым выходом, например BE 178A. В качестве микроконтроллера 24 (МК) может быть выбран одноплатный микроконтроллер типа АТ89С2051 с тактовой частотой 4 МГц. Задатчик частоты вращения 26 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания.
Входной величиной вентильно-индукторного электропривода со свойством живучести является сигнал с задатчика частоты вращения 26 (ЗЧВ), который поступает в микроконтроллер 24 (МК). Фазные токи двигателя, определяемые с помощью датчиков тока 2, 3, 4, 8, 9, 10, и угол поворота вала двигателя, который определяется с помощью датчика положения 25 (ДП), поступают на микроконтроллер 24 (МК), в котором вырабатываются задания на токи для каждой фазы электродвигателя, поступающие в преобразовательные ячейки 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6).
Микроконтроллер 24 (МК), на основе анализа соответствующих фазных токов, производит непрерывную диагностику рабочего состояния преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), 11 (ПЯ4), 12 (ПЯ5), 13 (ПЯ6), и в случае наличия неисправности типа «невыключение» ключа, например силового ключа 29 преобразовательной ячейки 5 (ПЯ1) (фиг.3), формируется бит отказа преобразовательной ячейки 5 (ПЯ1) типа «невыключение». Бит отказа типа «невыключение» включает соответствующий защитный элемент, например 14 (ЗЭ1) (фиг.2), и происходит перегорание плавкой вставки 27 по принудительно включаемому коротящему тиристору 28, в результате чего обеспечивается блокирование отказавшей преобразовательной ячейки, например 5 (ПЯ1) трехфазного преобразователя частоты 31 (ПЧ1), при этом оставшиеся 2 преобразовательные ячейки 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), первого независимого канала продолжают свою работу.
Соответствующая преобразовательная ячейка 11 (ПЯ4) второго независимого канала получает увеличенное задание на ток, в результате чего происходит компенсация момента двигателя, без формирования тормозного момента, как это было в прототипе.
В нормальном режиме работы преобразовательной ячейки, например 5 (ПЯ1), (фиг.3) силовой ключ 29 работает в импульсном режиме, после выключения ключа в паузе коммутации ток статорной обмотки замыкается через открытый диод 31. В случае выявления неисправностей типа: «невключение» ключа преобразовательной ячейки, например 5 (ПЯ1), или обрыве обмотки статора, формируется бит отказа преобразовательной ячейки типа «невключение». Срабатывание защитного элемента 14 (ЗЭ1) (фиг.2) не происходит. Соответствующая преобразовательная ячейка 11 (ПЯ4) второго независимого канала получает увеличенное задание на ток, в результате чего происходит компенсация момента электродвигателя выбывшей из работы фазы, но без провалов по моменту работающего электродвигателя, как в случае прототипа.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить отказоустойчивость и обеспечить живучесть n-канального, m-фазного вентильно-индукторного электропривода при аварийном отключении одной из фаз двигателя при неисправностях типа: «невыключение», «невключение» ключа преобразовательной ячейки или обрыве обмотки статора.