Способ и устройство для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного электродвигателя
METHOD AND DEVICE FOR EXTENDING THE SPEED RANGE AND ENSURING THE SURVIVABILITY OF A THREE-PHASE VALVE MOTOR

Изобретение относится к области электротехники, электромеханики и силовой электроники и может быть использовано для управления трехфазным вентильным электродвигателем с дискретной коммутацией, входящим в состав электротехнического комплекса, требующего расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести за счет переключения из схемы соединения звезда на три независимые фазы.
Известен патент «Способ управления трехфазным вентильным электродвигателем имплантируемого ротационного электронасоса кардиопротеза с обеспечением свойства живучести» RU 2525300 C1, заключающийся в том, что по сигналу датчиков тока выявляют отказ в цепи одной из трех фаз обмотки якоря, соединенной по схеме «звезда», затем, для обеспечения свойства живучести, посредством микроконтроллерного устройства управления подают сигнал на срабатывание защитного элемента отказавшей фазы, осуществляют процесс автокоммутации работающих двух фаз, обеспечивая создание вращающего момента двигателя, причем в качестве защитного элемента используют силовые ключи той стойки трехфазного мостового инвертора вентильного электродвигателя, к которой подключена отказавшая фаза, а остальные ключи, образующие однофазный мостовой инвертор, коммутируют посредством микроконтроллерного устройства управления, осуществляя последовательную выборку заранее записанных управляющих кодов из соответствующих состоянию обмотки якоря и положению ротора ячеек памяти.
Недостатком указанного решения является то, что алгоритм управления для двух оставшихся фаз образует однофазный двигатель с пульсирующим полем из-за чего появляются пульсации скорости ротора. Также не учитывается тот факт, что может произойти отказ типа «короткое замыкание» любого силового ключа трехфазного мостового инвертора из-за чего средняя точка звезды может подключиться либо к нулю (если замкнулся нижний ключ), либо к плюсу питания (если замкнулся верхний ключ) и тогда формирование поля уже будет не возможно и двигатель остановиться.
Известен патент «Способ обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя» RU 2311721 C1, в котором каждая фаза управляется от своего мостового инвертора, а при выходе из строя элемента в одной из фаз - две другие коммутируются таким образом, чтобы сохранить круговое вращающее поле. Таким образом, обеспечивается живучесть.
Недостатком указанного решения является то, что пуск двигателя осуществляется с меньшим моментом, так как электромагнитный момент схемы соединения «три однофазных двигателя» меньше чем момент схемы соединения «звезда».
Наиболее близким к заявляемому изобретению, по наибольшему количеству сходных признаков, является патент на изобретение RU 2735092 C2 «Способ и устройство для управления трехфазным электродвигателем» (Опубликовано: 28.10.2020 Бюл. № 31). Особенности устройства заключаются в возможности переключения трехфазных обмоток двигателя со «звезды» на «треугольник» и обратно. В патенте указывается, что запуск двигателя производиться со схемой подключения «звезда», чтобы уменьшить пусковые токи. А когда электромагнитный крутящий момент повышается до порогового значения или превышает пороговое значение, подается команда переключения с соединения «звездой» на соединение «треугольник», чтобы двигатель мог работать с более высокой выходной мощностью. Данное изобретение также пригодно для использования в области непрерывно работающих механизмов, которые не требуют точного регулирования скорости, примерами которых являются насосы, вентиляторы, компрессоры, транспортеры, эскалаторы и вентиляционное оборудование.
Недостатком указанного решения является то, что двигатель при большой избыточности силовых ключей по сравнению с классическим трёхфазным инвертором, не сохраняет работоспособности при единичном отказе. Также нет возможности переключить на схему соединения «три однофазных двигателя», что может поднять выходную скорость вращения ротора электродвигателя.
Технической задачей предлагаемой группы изобретений является расширение скоростного диапазона и обеспечение живучести трехфазного вентильного электродвигателя (сохранение работоспособности двигателя при единичном отказе).
Как и в техническом решении - прототипе пуск двигателя в предлагаемом изобретении осуществляется  при соединении обмотки в звезду. Но, в отличие от прототипа, при достижении скорости двигателя порогового значения, когда момент уменьшается ниже заданной величины, происходит изменение алгоритма переключения ключей полупроводникового коммутатора так, чтобы с точки зрения функционирования получились три однофазных двигателя, работающих на один вал. В результате также происходит увеличение скорости холостого хода двигателя примерно в  раз.  При этом не требуется изменение схемы коммутатора и разъединение фаз двигателя. Функционирование двигателя в виде трёх однофазных машин (однофазный режим трех фаз), работающих на один вал, позволяет сохранить работоспособность двух из них при единичном отказе в третьей.
Расширение скоростного диапазона и обеспечение живучести вентильного двигателя достигается за счет применения устройства, включающего устройство управления, полупроводниковый коммутатор и датчики тока, которое подключено к вентильному двигателю с тремя фазными обмотками и тремя датчиками положения ротора.
Техническая задача решается тем,что способ для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, при котором режим пуска  двигателя осуществляют при подключении его к трехфазной сети в конфигурации соединения звезда, согласно группы изобретений, используют устройство, включающее устройство управления, полупроводниковый коммутатор и три датчика тока, подключенное к вентильному двигателю с тремя фазными обмотками и датчиком положения ротора, с помощью которого при достижении порогового значения скорости двигателя осуществляют изменение коммутации силовых транзисторов полупроводникового коммутатора с помощью управляющих сигналов устройства управления на схему функционирования трех однофазных двигателей, а для обеспечения живучести двигателя при единичном отказе одной фазы двигателя осуществляют коммутацию ключей коммутатора на схему работы двух фаз.
Техническая задача также решается за счет того, что устройство для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного двигателя, включающее устройство управления, полупроводниковый коммутатор и датчики тока, которое подключено к вентильному двигателю с тремя фазными обмотками и датчиком положения ротора, согласно группы изобретений, устройство управления включает микроконтроллер с драйвером и пакетом программ, реализующих режимы управления; полупроводниковый коммутатор содержит тринадцать силовых транзисторов, шесть пар из которых расположены параллельно попарно, причем три верхних транзистора, подключаемые к началу трех фаз двигателя, напрямую соединены с плюсом источника питания; другие три верхних транзистора, подключаемые к концу трех фаз двигателя, соединены с плюсом источника питания через дополнительный силовой транзистор; остальные шесть нижних транзисторов подключены к минусу питания; кроме того, шесть подключенных попарно параллельно транзисторов соединены общей точкой своей пары через датчики тока с началом фаз вентильного двигателя, а другие шесть попарно параллельно подключенных транзисторов соединены своей общей точкой с концом фаз вентильного двигателя; датчики тока подключены также к устройству управления.
Сущность технического решения поясняется изображениями на фиг.1-4, где показано следующее:
-на фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства;
-на фиг.2 изображена принципиальная схема полупроводникового коммутатора предлагаемого устройства;
-на фиг.3 изображен алгоритм замыкания транзисторных ключей для получения схемы соединения звезда и работа при 120-градусной дискретной коммутации;
-на фиг.4 изображен алгоритм замыкания транзисторных ключей для получения схемы соединения три однофазные машины и работа при 120-градусной дискретной коммутации каждой из фаз;
Структурная схема предлагаемого устройства для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного электродвигателя показана на фиг.1. Она включает в себя устройство управления (УУ) 1, которое состоит из микроконтроллера с управляющей программой и драйверами.УУ1 формирует управляющие сигналы К1н, К2н, К3н, К4н, К5н, К6н, К1к, К2к, К3к, К4к, К5к, К6к и К1нк, которые управляют соответствующими силовыми транзисторами VT1н, VT2н, VТ3н, VT4н, VT5н, VT6н, VT1к, VT2к, VT3к, VT4к, VT5к, VT6к и VT1нк полупроводникового коммутатора (ПК) 2. Отметим, что К(1-6)н, К(1-6)к    обозначают управляющие сигналы, отправляемые на силовые транзисторы, соединенные с началом (н) или концом (к) одной из 3-х фаз двигателя; К1нк обозначает управляющий сигнал, отправляемый на дополнительный силовой транзистор, служащий для подключения и отключения напряжения питания подаваемого на силовые транзисторы, соединенные с концом (к) трех фаз двигателя; VT(1-6)н, VT(1-6)к обозначают силовые транзисторы, соединенные с началом (н) или концом (к)  одной из 3-х фаз двигателя; VT1нк обозначает дополнительный силовой транзистор, служащий для подключения и отключения напряжения питания, подаваемого на силовые транзисторы, соединенные с концом (к) трех фаз двигателя.
С помощью полупроводникового коммутатора (ПК) 2  через датчики тока 3 (ДТ1, ДТ2, ДТ3) напряжение подается на вентильный двигатель (ВД) 4. Вентильный двигатель представляет из себя электрическую машину с тремя фазами (фаза 1, фаза 2 и фаза 3), которые имеют начала (С1н - начало первой фазы, С2н - начало второй фазы, С3н - начало третьей фазы) и концы фаз (С1к - конец первой фазы, С2к - конец второй фазы, С3к - конец третьей фазы) и датчик положения ротора (ДПР). Датчики тока 3 (ДТ1, ДТ2, ДТ3) подключаются через начала (С1н, С2н, С3н) фаз ВД 4; концы (С1к, С2к, С3к) фаз ВД 4 подключены непосредственно между полупроводниковым коммутатором и вентильным двигателем; датчики тока 3 подключены также к устройству управления 1. Сигналы с датчиков тока 3 служат для выявления единичного отказа в фазе и поступают в УУ 1, которое по отсутствию тока или слишком большой величине тока выявляет неисправную фазу и полностью ее выключает. Сигналы с ДПР служат для организации 120-градусной дискретной коммутации.
Существенным отличиемпредлагаемого устройства для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного электродвигателя является использование полупроводникового коммутатора и устройства управления с предлагаемым алгоритмом коммутации.
Полупроводниковый коммутатор(фиг.2) содержит 13 силовых транзисторов VT1н, VT2н, VТ3н, VT4н, VT5н, VT6н, VT1к, VT2к, VT3к, VT4к, VT5к, VT6к и VT1нк, которые показаны как ключи на фиг.2. Условно силовые ключи указаны как кнопки, так как в зависимости от напряжения питания могут применяться транзисторы MOSFET (низкое напряжение питания < 200В) или IGBT (высокое напряжение питания > 200В).
Силовые транзисторы расположены параллельно попарно, всего 6 пар и один дополнительный силовой транзистор: (VT1н, VT2н); (VТ3н, VT4н); (VT5н, VT6н); (VT1к, VT2к); (VT3к, VT4к); (VT5к, VT6к) и VT1нк; причем три верхних транзистора (VT1н, VТ3н, VT5н), подключаемые к началу (н) трех фаз двигателя, напрямую соединены к плюсу питания; другие три верхних транзистора (VT1к, VT3к, VT5к), подключаемые к концу (к) трех фаз двигателя, соединены к плюсу питания через дополнительный силовой транзистор VT1нк; остальные шесть нижних транзисторов (VT2н, VT4н, VT6н, VT2к, VT4к, VT6к) подключены к минусу питания; кроме того, шесть  подключенных попарно параллельно транзисторов соединены общей точкой своей пары через датчики тока 3 с началом фаз (С1н, С2н, С3н) вентильного двигателя 4, а другие шесть попарно параллельно подключенных транзисторов соединены своей общей точкой с концом фаз (С1к, С2к, С3к) вентильного двигателя 4.
Начало первой фазы С1н вентильного двигателя через датчик тока ДТ1 подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT1н и VT2н. Начало второй фазы С2н вентильного двигателя через датчик тока ДТ2 подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT3н и VT4н. Начало третьей фазы С3н вентильного двигателя через датчик тока ДТ3 подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT5н и VT6н.
Конец первой фазы С1к вентильного двигателя подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT1к и VT2к. Конец второй фазы С2к вентильного двигателя подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT3к и VT4к. Конец третьей фазы С3к вентильного двигателя подключается к общей точке двух силовых транзисторов VT5к и VT6к.
Силовые транзисторы VT1н, VT3н, VT5н подключаются непосредственно к плюсу напряжения питания, силовые транзисторы VT1к, VT3к, VT5к подключаются к плюсу питания через дополнительный силовой транзистор VT1нк. Силовые транзисторы VT2н, VT4н, VT6н, VT2к, VT4к, VT6к подключаются непосредственно к минусу питания.
Сущность предлагаемого способа для расширения скоростного диапазона и обеспечения живучести трехфазного вентильного электродвигателя заключается в заложенных в УУ 1 алгоритмах управления (фиг.3 и фиг.4) полупроводниковым коммутатором 2 (фиг.2).
Весь алгоритм управления реализуется в УУ 1; поступающие сигналы от ДПР ВД 4 также приходят на входы УУ 1. По сигналам от ДПР УУ 1 определяет такты коммутации и формирует сигналы К1н, К2н, К3н, К4н, К5н, К6н, К1к, К2к, К3к, К4к, К5к, К6к и К1нк, которые управляют соответствующими силовыми транзисторами VT1н, VT2н, VТ3н, VT4н, VT5н, VT6н, VT1к, VT2к, VT3к, VT4к, VT5к, VT6к и VT1нк ПК 2.
Устройство работает следующим образом.
Пуск двигателя осуществляется по схеме соединения «звезда». Для этого необходимо у ПК 2 постоянно держать выключенными силовые транзисторы VT2к, VT4к, VT6к, VT1нк; постоянно включенными силовые транзисторы VT1к, VT3к, VT5к, которые как раз и образуют общую точку у концов фаз. Силовые транзисторы VT1н, VT2н, VT3н, VT4н, VT5н, VT6н - реализуют управление двигателем по 120-градусной дискретной коммутации по сигналам от ДПР ВД 4. Алгоритм показан на фиг. 3. Весь алгоритм управления реализуется в УУ 1; поступающие сигналы от ДПР ВД 4 также приходят на входы УУ 1. По сигналам от ДПР УУ 1 определяет такты коммутации и переключает силовые транзисторы VT1н, VT2н, VT3н, VT4н, VT5н, VT6н.
Для расширения скоростного диапазона ВД 4 УУ 1 должно поменять алгоритм управления (фиг.4) и переключить силовые транзисторы ПК 2 на схему соединения трех фаз в однофазном режиме. Чтобы подключить фазы двигателя по схеме соединения трех фаз в однофазном режиме, необходимо у ПК 2 постоянно держать включенным силовой транзистор VT1нк. Силовые транзисторы VT1н и VT2н, VT1к и VT2к - управляют первой фазой; силовые транзисторы VT3н и VT4н, VT3к и VT4к - управляют второй фазой; силовые транзисторы VT5н и VT6н, VT5к и VT6к - управляют третьей фазой. Управление двигателем осуществляется по однофазной 120-градусной дискретной коммутации по сигналам от ДПР ВД 4. Алгоритм показан на фиг. 4.
Как видно из фиг.3 и фиг.4 ключи VT1н, VT2н, VT3н, VT4н, VT5н, VT6н переключаются везде одинаково, согласно номеру такта коммутации. Поэтому переключение со схемы соединения звезда на однофазный режим трех фаз и обратно можно осуществлять в любой момент времени. Направление токов при этом не изменится и поэтому перенапряжений, обусловленных запасенной за счет тока энергией в индуктивности, не будет возникать.
Для обеспечения живучести вентильного электродвигателя УУ 1 используется информация с ДТ3 каждой из фаз. Например, если произошел единичный отказ в любом канале третьей фазы (обрыв фазы, обрыв силового транзистора, замыкание силового транзистора), то по отсутствию или наоборот высокому уровню сигнала с ДТ3 третьей фазы УУ 1 определит отказ третьей фазы и перестроит управление двумя оставшимися фазами, при этом силовые транзисторы VT5н и VT6н, VT5к и VT6к - будут выключены, а остальные силовые транзисторы будут переключаться в соответствии с фиг.4. При 120-градусной дискретной коммутации УУ 1 коммутирует две оставшиеся фазы таким образом, чтобы сохранить круговое вращающее поле.
Пример. Для проверки работоспособности собрано устройство, состоящее из шести полумостов M12-300-12-M1 (VT1н и VT2н, VT3н и VT4н, VT5н и VT6н, VT1к и VT2к, VT3к и VT4к, VT5к и VT6к); одного одиночного транзистора М9-300-12-01 (VT1нк); трех датчиков тока HASS 100-S (ДТ1, ДТ2, ДТ3); в качестве устройства управления используется микроконтроллер STM32F303VCT6, а для сопряжения устройства управления и полупроводникового коммутатора используется модуль драйвера МД2180П-Б(1). В качестве вентильного двигателя может быть использован трехфазный синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов, у которого: начала и концы фаз выведены на разъемы подключения и присутствует датчик положения ротора.
Предлагаемая группа изобретений реализует поставленную задачу.
Работа выполнялась при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства «Создание высокотехнологичного производства экологически чистых универсальных коммунальных машин малого класса для всесезонного содержания и уборки городских территорий» по Соглашению №075-11-2022-018 от 06.04.2022 г. (Идентификатор государственного контракта 000000S407522QMY0002) между Министерством науки и высшего образования Российской Федерации и Акционерным обществом «Курганский завод дорожных машин» в кооперации с Головным исполнителем НИОКТР - Федеральным государственным автономным образовательным учреждением высшего образования «Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)».