СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА
METHOD TO PROVIDE FOR OPERABILITY OF THREE-PHASE ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкорегулирумых асинхронных электроприводах.
Известен способ обеспечения живучести пяти или семифазных асинхронных двигателей с векторным управлением от преобразователя частоты (Disturbance-free operation of a multiphase current-regulated motor drive with an opened phase / Fu Jen-Ren, Lipo Thomas A. // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1994. - 30, №5. - C.1267-1274), в котором при обрыве одной из фаз в преобразователе частоты задают соответствующую комбинацию токов для поддержания момента двигателя без пульсаций, при этом исключают провод соединения с нейтралью, так как наличие нулевой последовательности токов в отличие от 3-фазного асинхронного двигателя будет необязательным.
Недостатком данного способа является ограниченная область применения для многофазных асинхронных двигателей, что не позволяет использовать предложенный способ при трехфазном исполнении двигателя.
Известен способ обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя для привода эскалатора (Патент JP №3293289, МПК B66B 23/02, опубл. 24.12.1991), в котором осуществляют восстановление работоспособности при неисправности силовой части преобразователя частоты: выпрямитель - инвертор. Живучесть обеспечивают диагностикой с последующим отключением питания двигателя от преобразователя частоты и переключением его напрямую к трехфазной сети переменного тока.
Недостатком этого способа является уменьшение равномерности движения эскалатора при отключении преобразователя частоты вследствие скачкообразного уменьшения или увеличения частоты вращения вала двигателя в зависимости от степени загруженности эскалатора и следствием этого ограниченная применимость данного способа, а также невозможность работы данного электропривода при обрыве фазы двигателя, непосредственно питающей статорную обмотку.
Известен способ обеспечения живучести асинхронного электропривода (Fault mode single-phase operation of a variable frequency induction motor drive and improvement of pulsating torque characteristics / Kastha Debaprasad, Bose Bimal K. // IEEE Trans. Ind. Electron. - 1994. - 41, №4. - C.426-433), в котором при обрыве фазы или отключении ее из-за неисправности вводят гармоники напряжения для нейтрализации второй и других гармоник пульсаций момента и сдвигают частоты пульсаций момента в более высокий диапазон спектра, что позволяет компенсировать пульсации момента за счет момента инерции двигателя. Для регулирования электроприводом в двухфазном режиме в преобразователь частоты вводят оптимальное соотношения напряжения и частоты U/f для получения максимального отношения момент/ток и уменьшения пульсаций момента, что обеспечивает приемлемую работу с регулированием частоты вращения вала двигателя.
Недостатком способа является невозможность применения предложенного технического решения в случае глубокорегулируемого электропривода, особенно в диапазоне низких частот вращения.
6
Известен способ управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя (патент РФ №2326480, МПК H02H 7/09, опубл. 10.06.2008), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что фазные обмотки статора двигателя запитывают от трехфазного преобразователя частоты, работающего в режиме источника тока, который реализуют регулированием фазных токов. Задания на фазные токи двигателя получают с выхода регулятора скорости, на входы которого подают сигнал задания частоты вращения и текущую частоту вращения вала двигателя, получаемую с датчика скорости, одновременно с этим непрерывно проводят анализ фазных токов двигателя на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и в случае обнаружения отказа в одной из фаз двигателя корректируют мгновенные значения токов в двух оставшихся фазах двигателя для опережающей фазы вектора тока:
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;
a, b, c - три бита отказа каждой фазы;
, , ,  - инверсные значения a, b, c, d;
α - значение текущего двоичного кода цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости;
d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению: d=a∪b∪c (∪ - логическая операция ИЛИ); если d=1, то это свидетельствует об отказе в одной из фаз двигателя.
Недостатком способа является падение частоты вращения вала двигателя до уровня 30% относительно частоты вращения при работе в трехфазном режиме.
Задачей изобретения является обеспечение живучести трехфазного асинхронного электропривода при аварийном отключении одной из фаз с сохранением частоты вращения вала двигателя относительно трехфазного режима работы.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе обеспечения живучести трехфазного асинхронного электропривода, также как в прототипе, фазные обмотки статора двигателя запитывают от трехфазного преобразователя частоты, работающего в режиме источника тока, который реализуют регулированием фазных токов, задания на фазные токи двигателя получают с выхода регулятора скорости, на входы которого подают сигнал задания частоты вращения и текущую частоту вращения вала двигателя, получаемую с датчика скорости, одновременно с этим непрерывно проводят анализ фазных токов двигателя на каждом интервале широтно-импульсной модуляции и в случае обнаружения отказа в одной из фаз двигателя корректируют мгновенные значения токов в двух оставшихся фазах двигателя.
Согласно изобретению в случае обнаружения отказа в одной из фаз двигателя изменяют в двух оставшихся фазах частоту токов в k раз по заранее введенной нелинейной зависимости коэффициента k от заданной частоты вращения вала двигателя и корректируют мгновенные значения фазных токов асинхронного двигателя для опережающей фазы вектора тока по выражениям:
для отстающей фазы вектора тока:
ω
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов;
p - число пар полюсов асинхронного двигателя;
3
t - текущий прямой отсчет меток таймера в трехфазном режиме;
2
t - текущий обратный отсчет меток таймера в двухфазном режиме с момента аварийного переключения структуры управления двигателем;
f - частота тока статора;
a, b, c - значение битов слова состояния электропривода по отказам (вырабатываются датчиками состояния преобразовательных ячеек);
d - значение бита, вычисляемого по логическому выражению: d=a∪b∪c, где ∪ - логическая операция ИЛИ, и если d=1, то делают вывод об отказе в одной из фаз двигателя;
, , ,  - инверсные значения a, b, c, d.
зад
зад
зад
Известно, что повышение рабочей частоты тока статора f асинхронного двигателя приводит к увеличению рабочей мощности P двигателя при фиксированном значении момента M на валу асинхронного двигателя. Это следует из выражения: P=M·2·π·f/p. [Чиликин М.Г. Общий курс электропривода: учебное пособие / М.Г.Чиликин, А.С.Сандлер. - 6-е изд., доп. и перераб. - М.: Энергоиздат, 1981. - 576 с.] - С.101. В случае отказа одной из фаз двигателя увеличение частоты тока статора f в k раз приведет к увеличению рабочей мощности двигателя и соответственно может скомпенсировать падение частоты вращения вала двигателя. Коэффициент k нелинейно зависит от заданной частоты вращения вала двигателя ω. Соответственно необходимо заранее вводить нелинейную характеристику k=f(ω) в функциональные преобразователи. Таким образом, за счет введение нелинейной характеристики k=f(ω) и использования выражений для мгновенных значений фазных токов (1), (2), (3), (4), (5), (6) предложенное техническое решение позволяет при отказе одной из фаз электропривода обеспечить сохранение кругового вращающегося поля двигателя и сохранить направление вращения вала двигателя с расширенным диапазоном регулирования, а также обеспечить 100% вероятность пуска в заданном направлении при переключении из рабочего трехфазного режима работы в аварийный двухфазный режим работы с сохранением рабочей частоты вращения вала двигателя.
На фиг.1 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления трехфазным асинхронным двигателем.
зад
∗
На фиг.2 представлена характеристика зависимости коэффициента k от заданной частоты вращения вала двигателя ω  в относительных единицах, заложенная в функциональные преобразователи.
A
B
C
A
B
C
На фиг.3 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора: I, I, I, напряжений: U, U, U и частоты вращения вала двигателя ω при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим без учета работы функциональных преобразователей.
A
B
C
A
B
C
На фиг.4 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора: I, I, I, напряжений: U, U, U и частоты вращения вала двигателя ω при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим с учетом работы функциональных преобразователей.
Предложенный способ осуществлен с помощью схемы микроконтроллерного управления трехфазным асинхронным двигателем (фиг.1), содержащей асинхронный двигатель 1 (АД), который через датчики тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) соответственно подключен к преобразовательным ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2) и 7 (ПЯ3) трехфазного преобразователя частоты, 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 асинхронного двигателя 1 (АД) установлен датчик скорости 10 (ДС), выход которого подключен к микроконтроллеру 9 (МК). Задатчик частоты вращения вала двигателя 11 (ЗЧВ) связан с микроконтроллером 9 (МК), который подключен к функциональным преобразователям 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3), а они, в свою очередь, подключены к соответствующим преобразовательными ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3).
В качестве асинхронного двигателя 1 (АД) можно выбрать любой трехфазный асинхронный двигатель с развязанными фазами, т.е. начало и конец каждой статорной обмотки выведены в коробку выводов, например, АДМ63В4У3. 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 скорости 10 (ДС) может быть любого типа с аналоговым или цифровым выходом, например SG751 - SG753 [www.start-vector.com]. В качестве микроконтроллера 9 (МК) может быть выбран одноплатный микроконтроллер типа АТ89С2051 с тактовой частотой 4 МГц. В качестве преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7(ПЯ3) трехфазного преобразователя частоты 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. В качестве функциональных преобразователей 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3) могут быть выбраны микроконтроллеры любого типа, например на базе процессора ATMEGA 103 типа MS103.01.P [www.ssd.ru].
зад
зад
зад
зад
∗
Для проверки способа обеспечения живучести трехфазного асинхронного электропривода использовали математическую модель [Свидетельство РФ о регистрации ПрЭВМ №2007613578 «Программа расчета переходных процессов асинхронного электропривода в неполнофазных и аварийных режимах работы»]. С помощью данной программы построили нелинейную характеристику коэффициента k от задаваемой частоты вращения k=f(ω ) (фиг.2). У каждого двигателя будет свое значение k, соответствующее ω, при котором двигатель будет работать устойчиво, при этом фазные токи и частота вращения будут близки к номинальным. Исходя из этого условия подбирают коэффициенты k для различных значений ω. Далее зависимость k=f(ω), построенную, например, по десяти точкам, аппроксимируют и вводят в функциональные преобразователи 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3). В процессе работы электропривода сигнал с задатчика частоты вращения 11 (ЗЧВ) поступает в микроконтроллер 9 (МК). Фазные токи двигателя, определяемые с помощью датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) и частота вращения вала двигателя, определяемая с помощью датчика скорости 10 (ДС), поступают в микроконтроллер 9 (МК), в котором вырабатывают задания на частоту f и амплитуду токов для каждой фазы двигателя, которые, в свою очередь, поступают через функциональные преобразователи 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3) в соответствующие 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). В случае обнаружения отказа или в одной из фаз двигателя, или в одной из ячеек преобразователя частоты в микроконтроллере 9 (МК) включают алгоритм восстановления, при котором задание на частоту тока статора f увеличивают в k раз по характеристикам, заложенным в функциональных преобразователях 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3), а также корректируют мгновенные значения фазных токов асинхронного двигателя 1 (АД) по выражениям (1), (2), (3) или (4), (5), (6).
н
На временных диаграммах переходных процессов (фиг.3, 4) представлена работа асинхронного двигателя марки MTF 311-6 с номинальным моментом нагрузки (М=111Н·м) на валу при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы при отказе в фазе «А» в момент времени, равный t=0,3 с. Без учета работы функциональных преобразователей (фиг.3) ток в отказавшей фазе («А») стал равным нулю. В оставшихся фазах «В» и «С» после электромагнитного переходного процесса произошло обратное чередование токов, возросла амплитуда токов в 1,5 раза, и сдвиг фаз между ними стал равным π/3, что определено алгоритмом восстановления (2) и (3) для поддержания кругового вращающегося поля двигателя. Частота вращения вала двигателя после отказа фазы упала с 37 рад/с до 26 рад/с (30% относительно работы в трехфазном режиме). Двигатель продолжает работать, поддерживая номинальную нагрузку на валу.
С учетом работы функциональных преобразователей 12 (ФП1), 13 (ФП2), 14 (ФП3) (фиг.4) токи в двух оставшихся фазах «B» и «C» остались такими же, как и на фиг.3, но с частотой в k раз больше. Частота вращения вала двигателя ω после электромеханического переходного процесса осталась на уровне трехфазного режима - 37 рад/с. Для двигателя MTF 311-6: k=1,4 при заданной частоте вращения ω=37 рад/с.
Предложенное техническое решение позволяет в случае отказа в одной из фаз электропривода (выход из строя силового ключа инвертора, обрыв фазы двигателя) обеспечить сохранение направления вращения кругового вращающегося поля и частоты вращения вала двигателя на номинальном уровне, а также обеспечить 100% вероятность пуска в заданном направлении с расширенным диапазоном регулирования и определенным временем реакции микропроцессорной системы управления при переключении алгоритма восстановления из трехфазного в двухфазный режим, равным времени интервала широтно-импульсной модуляции при отсутствии дополнительных аппаратных затрат для поддержки алгоритма восстановления работоспособности.
Данное техническое решение накладывает ограничения на использование трехфазного асинхронного электропривода на высоких скоростях. Изменение частоты тока статора может привести к увеличению фазных напряжений, что не допустимо, поэтому диапазон регулирования будет от минимальной частоты вращения до частоты вращения, соответствующей номинальному напряжению статора.