АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С ПОВЫШЕННОЙ ЖИВУЧЕСТЬЮ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для регулирования числа оборотов электродвигателей и может быть использована в широко регулируемых асинхронных электроприводах со свойством живучести при однократных или множественных отказах.
Известен отказоустойчивый асинхронный n-секционированный электропривод, выполненный на основе трехфазных секций (Глухов Д.М. Моделирование многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах: автореф. дис. канд. техн. наук. - Томск, 2005. - с. 18), который содержит n-групп трехфазных асинхронных электроприводов, установленных на общем валу, к которому подключен датчик скорости. Задатчик частоты вращения подключен к трехфазным преобразователям частоты, выполненным по стандартной шестиключевой схеме. Каждый трехфазный преобразователь частоты подключен к соответствующим трехфазным асинхронным электродвигателям.
Недостатком этого технического решения является нерациональное использование структурного резерва электропривода. Не обеспечивается восстановление работоспособности при отказе в одной из фаз отказавшей секции электропривода, в результате чего происходит повышение плотности тока в обмотках асинхронных электродвигателей исправных секций при наличии исключенных из работы двух работоспособных фаз асинхронного электропривода в отказавшей секции.
Известен асинхронный электропривод со свойством живучести (RU 67354 U1, H02P 5/00 (2006.01), опубл. 10.10.2007), выбранный в качестве прототипа, содержащий трехфазный асинхронный двигатель, каждая фаза которого через датчики тока подключена к соответствующей преобразовательной ячейке трехфазного преобразователя частоты. Блок диагностики связан с преобразовательными ячейками и с микроконтроллером, который подключен к датчику скорости, к задатчику частоты вращения, к трем датчикам тока и к преобразовательным ячейкам.
Электропривод позволяет восстановить работоспособность при одном отказе и полностью неработоспособен в случае множественных отказов электропривода типа: обрыва фазы двигателя или отказ в ячейке преобразователя частоты.
Задачей заявленного изобретения является управление n-секционным трехфазным электрическим двигателем с обеспечением его повышенной живучестью в случае одиночных или множественных отказов.
Поставленная задача решена за счет того, что асинхронный электропривод с повышенной живучестью, также как в прототипе, содержит трехфазный асинхронный двигатель, каждая фаза которого через датчик тока подключена к соответствующему трехфазному преобразователю частоты, микроконтроллер, подключенный к задатчику частоты вращения, к трем датчикам тока, к датчику скорости, установленному на валу асинхронного двигателя.
Согласно изобретению электропривод выполнен на основе n-секционного электрического двигателя, каждая секция которого установлена на одном валу и включает в себя n-трехфазных асинхронных электрических двигателей, фазы которых через соответствующие датчики тока подключены к соответствующим трехфазным преобразователям частоты. Выходы всех датчиков тока и входы всех трехфазных преобразователей частоты подключены к микроконтроллеру, к которому подключен датчик скорости, установленный на валу всех асинхронных двигателей.
В предложенном асинхронном электроприводе с повышенной живучестью используется микроконтроллер, который позволяет выявить отказ в одном из n-преобразователей частоты, либо выявить отказ одного из фаз n-секционного двигателя. В результате по заданной программе микроконтроллера происходит адаптация структуры электропривода из рабочего трехфазного в аварийный двухфазный режим работы. При этом вектор одного из токов в отказавшей секции смещается на угол π/3 с сохранением одинаковой амплитуды токов в фазах и в результате обеспечивается сохранение кругового вращающегося поля в магнитном зазоре той секции электрического двигателя, где произошел отказ, при этом оставшиеся n-1 секции электропривода продолжают работать в трехфазном режиме. При последующих отказах в этой же секции она выбывает из работы, и электропривод функционирует с пониженной активной мощностью, но с обеспечением свойства живучести. В процессе плавного исчерпания рабочего ресурса электропривода - структурного (за счет формирования избыточности в виде n-секций вместо одной) и функционального (за счет обеспечения работоспособности каждой из n-секций двигателя на двух оставшихся фазах трехфазного двигателя в аварийном режиме) резервов минимальном составе электропривода обеспечивается работа на двух оставшихся фазах одной работоспособной секции при отказавших n-1 секциях включительно, что позволяет обеспечить работоспособность, как при одиночных, так и при множественных отказах асинхронного электропривода с обеспечением свойства повышенной живучести.
На фиг. 1 изображена функциональная схема асинхронного электропривода с повышенной живучестью, выполненного на основе n-секционного электрического двигателя.
Отказоустойчивый асинхронный электропривод содержит n-асинхронных двигателей 1 (АД 1), …, 2 (АДN), каждая фаза которых через соответствующие датчики тока 3 (ДТ1), 4 (ДТ2), 5 (ДТ3), …, 6 (ДТ4), 7 (ДТ5), 8 (ДТ6) подключена к соответствующему трехфазному преобразователю частоты 9 (ПЧ1), 10 (ПЧ2), 11 (ПЧ3), …, 12 (ПЧ4), 13 (ПЧ5), 14 (ПЧ6). Все преобразователи частоты 9 (ПЧ1), 10 (ПЧ2), 11 (ПЧ3), …, 12 (ПЧ4), 13 (ПЧ5), 14 (ПЧ6) и датчики тока 3 (ДТ1), 4 (ДТ2), 5 (ДТ3), …, 6 (ДТ4), 7 (ДТ5), 8 (ДТ6) подключены к микроконтроллеру 15 (МК). На общем валу асинхронных двигателей 1 (АД1), …, 2 (АДN) установлен датчик скорости 16 (ДС), выход которого подключен к микроконтроллеру 15 (МК). Задатчик частоты вращения вала двигателя 17 (ЗЧВ) подключен к микроконтроллеру 15 (МК).
В качестве асинхронных двигателей 1 (АД1), …, 2 (АДN) можно использовать трехфазные асинхронные двигатели с развязанными фазами, у которых начало и конец каждой статорной обмотки выведены в коробку выводов, например, АДМ63В4У3. В качестве датчиков тока 3 (ДТ1) 4 (ДТ2), 5 (ДТ3), …, 6 (ДТ4), 7 (ДТ5), 8 (ДТ6) могут быть использованы стандартные датчики с гальванической развязкой, например, модули ЛЕМ типа LA 25-NP. Преобразователи частоты (ПЧ1), 10 (ПЧ2), 11 (ПЧ3), …, 12 (ПЧ4), 13 (ПЧ5), 14 (ПЧ6) могут быть общего назначения марки Delta VFD-EL9. В качестве микроконтроллера 15 (МК) может быть использован одноплатный микроконтроллер типа АТ89С2051. Датчик скорости 16 (ДС) может быть любого типа с аналоговым или цифровым выходом, например, Z1000. Задатчик частоты вращения 17 (ЗЧВ) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания, например, блок с аналоговым выходом может быть выполнен в виде переменного резистора с формированием выходного напряжения от нуля до напряжения питания.
В трехфазном рабочем режиме входной величиной асинхронного электропривода является сигнал с задатчика частоты вращения 17 (ЗЧВ), который поступает в микроконтроллер 15 (МК). Фазные токи асинхронных двигателей 1 (АД1), …, 2 (АДN), определяемые с помощью датчиков тока 3 (ДТ1), 4 (ДТ2), 5 (ДТ3), …, 6 (ДТ4), 7 (ДТ5), 8 (ДТ6) и частота вращения вала двигателя, которую определяют с помощью датчика скорости 16 (ДС), поступают на регуляторы токов и регулятор скорости микроконтроллера 15 (МК), в котором вырабатывают задания на токи для каждой фазы асинхронного двигателя 1 (АД1), …, 2 (AДN), которые поступают в соответствующие преобразователи частоты 9 (ПЧ1), 10 (ПЧ2), 11 (ПЧ3), …, 12 (ПЧ4), 13 (ПЧ5),14 (ПЧ6).
В случае возникновения аварийной ситуации в одной из фаз асинхронного двигателя или 1 (АД), или …, или 2 (AДN), или в преобразователях частоты 9 (ПЧ1), 10 (ПЧ2), 11 (ПЧ3), …, 12 (ПЧ4), 13 (ПЧ5), 14 (ПЧ6) выявляется отказ на основе анализа сигнала текущей ошибки регуляторов тока в микроконтроллере 15 (МК). В результате, происходит восстановление работоспособности за счет активизации алгоритма восстановления в микроконтроллере 15 (МК) при переключении из рабочего трехфазного в аварийный двухфазный режим работы. Один из двух оставшихся векторов тока смещается на угол π/3 с сохранением одинаковой амплитуды тока в фазах и в результате, обеспечивается сохранение кругового вращающегося поля в магнитном зазоре асинхронных двигателей 1 (АД), …, 2 (АД), где произошел отказ (Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. - М.: Высшая школа, 1988. - с. 479). В качестве примера функционирования алгоритма восстановления, корректируют мгновенные значения фазных токов асинхронного двигателя 1 (АД1), …, 2 (АДN) для опережающей фазы вектора тока по выражениям:
а для отстающей фазы вектора тока:
ω
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов, А;
σ - число двоичных разрядов выходного кода цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости 16 (ДС);
d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению: ,
∪ - логическая операция ИЛИ), если d=1 - есть отказ в одной из фаз;
- инверсные значения битов a, b, c, d;
α - значение текущего двоичного кода цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости 16 (ДС).
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить повышенную живучесть n-секционного трехфазного асинхронного электропривода при однократных или множественных отказах с сохранением кругового вращающегося поля в воздушном зазоре двигателя.