СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ИЛИ ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
METHOD TO CONTROL AND PROVIDE ROBUSTNESS OF THREE-PHASE INDUCTION MOTOR OF ROTARY OR RECIPROCAL MOTION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в широкорегулирумых трехфазных асинхронных электроприводах с обеспечением свойства живучести в аварийном двухфазном режиме для электроприводов как вращательного, так и поступательного движения.
Известен способ обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя для привода эскалатора (заявка 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 снижение безопасности работы эскалатора и ограниченная применимость данного способа, а также невозможность работы данного электропривода при обрыве фазы двигателя, непосредственно питающей статорную обмотку.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя (патент РФ №2326480, МПК H02H 7/09 (2006.01), H02H 7/12 (2006.01), опубл. 10.06.2008), 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:
;
;
;
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
,
ω
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов, A;
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 известного способа является сложность процесса управления и повышенная длительность электромагнитных переходных процессов при переключении из трехфазного рабочего в двухфазный аварийный режим, кроме того способ предназначен для вращательного движения и не предусматривает управление линейным асинхронным двигателем поступательного движения.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение процесса управления с сокращением длительности электромагнитных переходных процессов при переключении в аварийный двухфазный режим для трехфазного асинхронного двигателя при аварийном отключении одной из фаз и расширение области применения предложенного способа для электроприводов как вращательного, так и поступательного движения.
Поставленная задача решена тем, что в способе управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя вращательного или поступательного движения, так же как в прототипе, фазные обмотки статора двигателя запитывают от трехфазного преобразователя частоты, работающего в режиме источника тока, который реализуют регулированием фазных токов, обеспечивающим их пропорциональность сигналам задания на токи, формируемых на выходе регулятора скорости, на вход которого подают сигнал задания скорости вращения ротора двигателя, а на его выходе получают трехфазные системы сигналов задания на фазные токи, 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 асинхронного двигателя.
Согласно заявленному способу на вход регулятора скорости подают сигнал задания скорости или вращательного, или поступательного движения ротора двигателя, определяют скорость или вращательного, или поступательного движения ротора, при проведении анализа фазных токов двигателя в случае обнаружения отказа в одной из фаз двигателя осуществляют поворот вектора тока одной работоспособной фазы на угол π/3, для этого корректируют мгновенные значения токов в двух оставшихся фазах асинхронного двигателя для опережающей фазы вектора тока:
;
;
,
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
,
ω
где I - значение амплитуды формируемых фазных токов, A;
a, b, c - значения битов слова состояния электропривода, вырабатываемые блоком диагностики;
- инверсные значения a, b, c;
α - значение текущего: двоичного кода цифрового сигнала с выхода датчика положения ротора или двоичный код цифрового сигнала, полученного в результате интегрирования сигнала с датчика скорости асинхронного двигателя.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью существенных признаков, состоит в том, что в предложенном техническом решении поворот вектора тока в одной из фаз в аварийном двухфазном режиме трехфазного асинхронного двигателя осуществляется на угол π/3 для получения результирующего сдвига векторов тока π/3, тогда как в прототипе поворот вектора тока в одной из фаз в аварийном двухфазном режиме трехфазного асинхронного двигателя осуществляется на угол π для получения результирующего сдвига векторов тока π/3, как следствие, в прототипе происходит изменение порядка чередования векторов МДС в фазах двигателя, что приводит к реверсу двигателя, для устранения этого в алгоритме восстановления работоспособности прототипа выполняется реверсивное формирование синусоид тока. В заявляемом техническом решении не происходит изменения порядка чередования векторов МДС в фазах двигателя, что существенно упрощает алгоритм восстановления работоспособности, сокращается программа и экономится вычислительный ресурс микроконтроллера. Кроме того, сокращение угла поворота вектора тока с π на угол π/3 в 3 раза также приводит к сокращению переходных электромагнитных процессов в двигателе при активизации алгоритма восстановления и уменьшению времени переключения структуры электропривода, времени нахождения электропривода в аварийном состоянии в процессе изменения вращающегося поля статора с эллиптического на круговое - основного показателя, характеризующего качество обеспечения живучести электропривода в процессе ликвидации аварийной ситуации.
Таким образом, предложенное решение позволяет обеспечить упрощение процесса управления с сокращением длительности электромагнитных переходных процессов при переключении в аварийный двухфазный режим для трехфазного асинхронного двигателя при аварийном отключении одной из фаз и расширение области применения предложенного способа для электроприводов как вращательного, так и поступательного движения.
На фиг.1 представлена функциональная схема микроконтроллерной системы управления трехфазным асинхронным двигателем;
на фиг.2 представлены пояснения поворота вектора тока одной работоспособной фазы на угол π/3;
АП
ВП
СП
П
на фиг.3 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора в фазах A, B, C: I, I, I, и частоты вращения вала двигателя ω при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим при восстановлении работоспособности согласно прототипу;
A
B
C
на фиг.4 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора в фазах A, B, C: I, I, I, и частоты вращения вала двигателя ω при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим при восстановлении работоспособности согласно заявленному способу;
АП
ВП
СП
A
B
C
П
на фиг.5 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора в фазах A, B, C: I, I, I, I, I, I, и частоты вращения вала двигателя ω, ω при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим с совмещением временных диаграмм, представленных на фиг.3 и фиг.4;
A
B
C
на фиг.6 представлены временные диаграммы переходных процессов токов статора в фазах A, B, C: I, I, I, и скорости движения ротора V асинхронного двигателя поступательного движения при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим при восстановлении работоспособности согласно заявленному способу.
Предложенный способ осуществлен с помощью схемы микроконтроллерной системы управления трехфазным асинхронным двигателем (фиг.1), содержащей асинхронный двигатель 1 (АД), который через датчики тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3) 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). Микроконтроллер 9 (МК) соединен с задатчиком скорости 11 (ЗС) и с преобразовательным ячейкам 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2) и 7 (ПЯ3) трехфазного преобразователя частоты.
В качестве асинхронного двигателя 1 (АД) можно использовать любой трехфазный асинхронный двигатель вращательного или поступательного движения с развязанными фазами, то есть начало и конец каждой статорной обмотки должны быть 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 скорости 11 (ЗС) может быть выполнен в виде блока, вырабатывающего аналоговый или цифровой сигнал задания. Использован известный блок диагностики 8 (БД) [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.].
Для проверки способа управления и обеспечения живучести трехфазного асинхронного двигателя вращательного или поступательного движения использовали математическую модель [Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005612119 «Программа расчета переходных процессов асинхронного двигателя с электромагнитным тормозным устройством»]. Фазные обмотки статора двигателя 1 (АД) запитывают от трехфазного преобразователя частоты, состоящего из трех преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3), работающих в режиме источника тока, который реализуют регулированием фазных токов в микроконтроллере 9 (МК), а информацию получают с датчиков тока 2 (ДТ1), 3 (ДТ2), 4 (ДТ3). Регулирование скорости производят в микроконтроллере 9 (МК), при этом скорость или вращательного, или поступательного движения ротора двигателя получают с датчика скорости 10 (ДС). Сигнал задания скорости или вращательного, или поступательного движения ротора двигателя получают с задатчика скорости 11 (ЗС), сигнал которого является входной величиной для электропривода. На каждом интервале широтно-импульсной модуляции проводят анализ состояния преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) с помощью блока диагностики 8 (БД), который вырабатывает три бита отказа a, b, c, составляющих слово состояния электропривода, которые поступают в микроконтроллер 9 (МК). В случае обнаружения отказа или в одной из фаз двигателя 1 (АД) или в одной из преобразовательных ячеек 5 (ПЯ1), 6 (ПЯ2), 7 (ПЯ3) в микроконтроллере 9 (МК) осуществляют поворот вектора тока одной работоспособной фазы на угол π/3 (фиг.2), для этого корректируют мгновенные значения фазных токов асинхронного двигателя 1 (АД) для опережающей фазы вектора тока:
;
;
,
или для отстающей фазы вектора тока:
;
;
На временных диаграммах переходных процессов (фиг.3, 4, 5) представлена работа асинхронного двигателя вращательного движения марки MTF 311-6 на номинальной нагрузке с частотой тока статора 25 Гц при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы при отказе в фазе «А» в момент времени t=0,5 с. Из сравнения временных диаграмм фиг.3, 4 видно, что сокращение угла поворота вектора тока с π на угол π/3 (фиг.2) в прототипе (фиг.3) приводит к провалу частоты вращения, тогда как в заявляемом способе провал отсутствует (фиг.4). Кроме того, из сравнения диаграмм прототипа и заявляемого способа на фиг.5 видно, что на интервале времени 0.5…0.593 с при восстановлении работоспособности в заявляемом способе падение частоты вращения на 40…50% медленнее, чем в прототипе. То есть использование предложенного способа по сравнению с прототипом позволяет обеспечить упрощение процесса управления с сокращением длительности электромагнитных переходных процессов при переключении в аварийный двухфазный режим для трехфазного асинхронного двигателя при аварийном отключении одной из фаз. На фиг.6 представлены временные диаграммы переходных процессов асинхронного двигателя поступательного движения мощностью 10 кВт на номинальной нагрузке с частотой тока статора 50 Гц при переключении из рабочего 3-фазного в аварийный 2-фазный режим работы при отказе в фазе «А» в момент времени t=2 с. Восстановление работоспособности асинхронного двигателя поступательного движения в аварийном режиме подтверждает работоспособность заявленного способа.
Предложенное техническое решение позволяет в случае отказа в одной из фаз асинхронного двигателя обеспечить сохранение направления вращения кругового вращающегося поля и частоты вращения вала для двигателя вращательного движения и сохранение направления бегущего поля и скорости движения ротора для двигателя поступательного движения, а также обеспечить 100% вероятность пуска в заданном направлении с упрощением процесса управления и с сокращением длительности электромагнитных переходных процессов при переключении в аварийный двухфазный режим для трехфазного асинхронного двигателя при аварийном отключении одной из фаз и расширить область применения предложенного способа для электроприводов как вращательного, так и поступательного движения.