Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ аварийных режимов и методов повышения надежноссти вентильных двигателей 13
1.1. Тенденции развития вентильного электропривода 13
1.1.1. Итоги развития вентильных двигателей 13
1.1.2. Методы мехатроники в повышении надежности вентильных двигателей 15
1.2. Направления развития вентильного электропривода 17
1.2.1. Повышение надежности и расширение функциональных
возможностей вентильных двигателей 18
1.2.2. Повышение точности и увеличение диапазона регулирования частоты вращения 19
1.2.3. Обеспечение эффективных режимов торможения, улучшение качества потребляемой энергии из сети 20
1.3. Аварийные режимы и методы повышения надежности вентильных двигателей 20
1.3.1. Повышение надежности путем параллельного соединения блоков 21
1.3.2. Повышение надежности по принципу мажоритарности 23
1.3.3. Повышение надежности систем с ненагруженным резервом через аппаратную избыточность схемы управления с реализацией алгоритмов восстановления работоспособности вентильных двигателей , 23
1.3.4. Защитные устройства и реализация алгоритмов восстановления работоспособности асинхронных электродвигателей с микро контроллерным управлением 27
1.3.5. Обоснование возможности двухфазного режима трехфазного вентильного двигателя 32
1.3.6. Технические предпосылки реализации двухфазного режима трехфазного вентильного двигателя 34
Выводы , , 35
ГЛАВА 2. Анализ двухфазного режима работы трехфазного вентильного двигателя 37
2.1. Расчет характеристик синхронного двигателя в двухфазном аварийном режиме трехфазного электродвигателя 37
2.1.1. Математическая модель двухфазного режима трехфазного синхронного электродвигателя 37
2.1.2. Обоснование и выбор угла нагрузки в двухфазном режиме 43
2.2. Механические характеристики вентильного двигателя в двухфазном режиме 48
2.3. Электромагнитный момент вентильного двигателя и потребляемый ток преобразователя частоты в аварийном двухфазном режиме 53
2.4. Аппаратное построение вентильного электродвигателя с возможностью реализации двухфазного режима трехфазного электродвигателя 58
2.4.1. Алгоритм восстановления работоспособности трехфазного вентильного двигателя в двухфазном режиме 59
2.4.2. Диагностика и контроль неисправностей преобразовательных ячеек 61
2.4.3. Система управления вентильным двигателем на элементах непрограммируемой логики 65
2.4.4. Система управления вентильным двигателем с использованием микроконтроллера 69
Выводы и результаты 72
ГЛАВА 3. Повышение надежности вентильного электропривода на основе промежуточного звена повышенной частоты 74
3.1. Вентильный электропривод с резервированием силовых цепей 74
3.1.1. Аппаратное построение вентильного электропривода 75
3.1.2 . Исследование свойств вентильного электропривода методом коммутационных функций 82
3.2. Преобразователь m-фазного напряжения для вентильного электропривода 89
3.3. Частотно-регулируемый электропривод с повышенной перегрузочной способностью 97
3.3.1. Аппаратное построение частотно-регулируемого электропривода... 97
3.3.2. Исследование частотно-регулируемого электропривода с повышенной перегрузочной способностью методом коммутационных разрывных функций 102
3.4. Измерительный частотный преобразователь тока 106
Выводы 111
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования аварийных режимов вентильного двигателя 112
4.1. Аппаратное построение вентильного двигателя с возможностью реализации аварийного двухфазного режима работы 112
4.2. Сравнительный анализ трех/двухфазных режимов работы и проверка алгоритма восстановления работоспособности вентильного двигателя в аварийном режиме работы ,, „
4.2.1. Сравнение статических характеристик вентильного двигателя в трех/двухфазных режимах работы 118
4.2.2. Сравнение переходных процессов при развитии аварийной ситуации в трех/двухфазных режимах вентильного двигателя 121
4.2.3. Сравнение спектрального состава токов в трех/двухфазных режимах вентильного двигателя 129
4.3. Методика повышения надежности вентильного электропривода, обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфаз ного синхронного электродвигателя с позиционной модуляцией 134
4.4. Результаты внедрения 137
Выводы и результаты 137
Выводы по работе и ее результаты 139
Библиографический список использованной литературы
- Тенденции развития вентильного электропривода
- Направления развития вентильного электропривода
- Математическая модель двухфазного режима трехфазного синхронного электродвигателя
- . Исследование свойств вентильного электропривода методом коммутационных функций
Введение к работе
Актуальность работы.
Существуют области применения вентильных двигателей (ВД), для
которых прекращение функционирования может привести к нарушению безопасной эксплуатации оборудования с риском для персонала, большим
* экономическим потерям при авариях на необслуживаемых объектах
эксплуатации с безостановочным циклом работы в течение продолжительного
времени, браку продукции при продолжительном цикле обработки деталей
(доли-единицы часов). Для таких областей применения ВД задача повышения
надежности (живучести) становится определяющей.
Известные разработки по резервированию систем ВД позволяют решать задачу повышения надежности. В ВД для механизмов космических станций с
* высокоточным управлением повышенная надежность обеспечивается
восстановлением работоспособности при неисправностях типа: "короткое
замыкание" и "обрыв фазы". Надежность обеспечивается диагностикой с
последующим отключением отказавшей фазы с применением модульного
подхода с выполнением электромагнитной, тепловой и физической
независимости секции ВД. Функционирование обеспечивается с
синусоидальной формой тока в обмотках, но ценой повышенных аппаратных
.» затрат.
Существуют системы ВД с алгоритмическим восстановлением работоспособности трехфазного ВД (в двухфазном режиме) без повышенных аппаратных затрат. Применение систем ВД позволяет обеспечить работоспособность при неисправностях типа "обрыв диода обратного моста", "обрыв ключа преобразователя", "обрыв в цепи обмотки якоря", однако применимость технических решений ограничена ВД с прямоугольной формой
» тока в обмотках и для ВД с расширенным диапазоном частоты вращения с си-
нусоидальной формой тока в фазных обмотках, не могут быть применены.
Предложены новые подходы в решении вопроса повышения надежности за счет микроконтроллерного управления с реализацией алгоритма восстановления в аварийной ситуации в двухфазном режиме, практически без потери качества управления ВД, программным путем и предложены новые подходы в применении звена повышенной частоты в функционировании электродвигателей переменного тока и преобразователей частоты на основе промежуточного звена повышенной частоты.
Вышеизложенное обуславливает актуальность задач, решаемых в диссертации, определяет цель и задачи исследований.
Целью диссертационных исследований является разработка средств повышения надежности вентильного электропривода.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
Исследовать на математической модели аварийный двухфазный режим трехфазного ВД.
Разработать и экспериментально проверить методику повышения надежности ВД, обеспечивающую работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного двигателя.
3. Разработать технические решения по повышению надежности
функционирования электродвигателей переменного тока и преобразователей
частоты на основе промежуточного звена повышенной частоты.
Научная новизна работы:
1. Выбран и обоснован угол нагрузки в результате исследований на математической модели аварийного двухфазного режима трехфазного ВД. Использование угла Ч'д между обратными векторами ЭДС и вектором тока фазы одной из двух фаз в аварийном двухфазном режиме трехфазного ВД, позволяет получить максимум активной мощности, максимум момента для угла
нагрузки Ч^=л7б, при этом активные мощности фаз равны, и максимум активной мощности не зависит от рабочей частоты и величины тока в фазах.
Получен алгоритм восстановления работоспособности трехфазного ВД в двухфазном режиме, позволяющий реализовать этот режим в системе управления электроприводом с микроконтроллерным управлением при наличии средств диагностики неисправностей. Научная новизна подтверждена техническим решением, защищенным авторским свидетельством А.с. № 1746482.
Разработаны на основе промежуточного звена повышенной частоты технические решения по повышению надежности электродвигателей переменного тока и преобразователей частоты.
В вентильном электроприводе на основе синхронного электродвигателя с расщепленными обмотками надежность повышается за счет резервирования силовых цепей с улучшением качества процесса регулирования скорости и обеспечением режима рекуперативного торможения. Научная новизна подтверждается техническим решением, защищенным авторским свидетельством А.с. № 1356171.
В частотно-регулируемом электроприводе на основе асинхронного электродвигателя надежность повышается за счет увеличения перегрузочной способности электродвигателя и упрощения конструкции. Научная новизна подтверждается техническим решением, защищенным патентом № 2014722.
В преобразователе т - фазного напряжения для вентильного электропривода надежность повышается за счет работы преобразовательных ячеек в однотактном режиме при одновременном расширении диапазона регулирования в 2 раза. Научная новизна подтверждается техническим решением, защищенным авторским свидетельством А.с. № 1821881.
Разработано техническое решение повышения надежности электродвигателей переменного тока на основе измерительного частотного преобразовате-
ля тока. Научная новизна подтверждается техническим решением, защищенным авторским свидетельством Ах. № 1402949.
На защиту выносится:
Методика выбора и обоснование угла нагрузки в аварийном двухфазном режиме трехфазного ВД.
Алгоритм восстановления работоспособности трехфазного ВД с микроконтроллерным управлением в аварийном двухфазном режиме.
3. Средства повышения надежности вентильных электродвигателей и
преобразователей частоты, разработанные на основе промежуточного звена
повышенной частоты.
Методы исследований. В диссертационной работе применены: метод коммутационных разрывных функций, спектральный метод анализа математическое моделирование и программирование. Проверка теоретических исследований осуществлялась экспериментальными методами.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в работе, обеспечены использованием современных приборов и методов экспериментальных исследований.
Значимость выполненных исследований:
Теория трехфазного ВД с синусоидальной формой тока в фазных обмотках дополнена новыми сведениями о возможности сохранения работоспособности в аварийном двухфазном режиме, выбран и обоснован угол нагрузки, получен алгоритм восстановления работоспособности ВД с микроконтроллерным управлением и экспериментально определено, что время Тп переключения структуры при возникновении аварийной ситуации не превышает электромагнитную постоянную времени.
Практическая значимость:
создана методика повышения надежности (живучести) ВД, обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного двигателя с микроконтроллерным управлением на основе алгоритма восстановления работоспособности;
разработан экспериментальный ВД с поддержкой алгоритма восстановления работоспособности в аварийной ситуации с двухфазным режимом позволяющий исследовать электропривод в рабочем и аварийном режимах работы и подтвердить методику повышения надежности ВД;
разработанная математическая модель трехфазного синхронного двигателя (СД) в аварийном двухфазном режиме позволила настроить ВД на максимум момента в аварийной ситуации;
разработаны датчики состояния преобразовательных ячеек для диагностики аварийной ситуации ВД;
разработаны технические решения по повышению надежности электродвигателей и преобразователей частоты на основе промежуточного звена повышенной частоты.
Реализация результатов диссертационной работы.
1. На предприятии ОАО «Новосибирский завод им. Коминтерна»
внедрена методика повышения надежности вентильного электропривода,
обеспечивающая работу в аварийном двухфазном режиме трехфазного
синхронного электродвигателя с позиционной модуляцией. В разработке
методики использовано техническое решение по А.с. № 1746482.
2. Разработаны, изготовлены и внедрены на предприятии п/я Ю-9192:
элементы системы цифрового вентильного электропривода: блоки
преобразователя напряжения с синусоидальной формой тока, цифровой датчик
тока, совмещенный датчик положения и скорости. В разработке использовано
техническое решение по А.с. № 1402949.
3. На предприятиях ПО «Юганскнефтегаз» и ПО «Томскнефть» внедрена микропроцессорная система управления осуществляющая функционирование, диагностику и контроль терминала бурильщика.
Апробация работы.
Основные положения диссертации и результаты работы докладывались,
обсуждались на:
I Дальневосточной научно-практической конференции.
Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации
технологических процессов промышленных предприятий. Комсомольск-на-Амуре, 1986г.;
Всесоюзном научно-техническом совещании «Проблемы управления промышленными электромеханическими системами», Ульяновск, 1989г.;
Республиканской научно-технической конференции
«Электромеханические преобразователи и машинно-вентильные системы», Томск, 1991г.;
Втором международном научно-техническом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве», Томск, 2001г.;
IV Международной научно-технической конференции
«Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и
схемотехника, теория и вопросы применения», Новочеркасск, 2004г.;
V Международной научно-технической конференции
«Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы»,
Новочеркасск, 2004г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 17 научных работах, в том числе, 6 написанных единолично автором и 11 работ, написанных в соавторстве, 2 отчетах по НИР, 10 статьях и тезисах докладов, описаниях 1 патента и 4 авторских свидетельств.
Структура диссертационной работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем диссертационной работы составляет 156 страниц, включая 54 рисунков, 10 таблиц, списка литературы из 161 наименований и приложения на 21 страницах.
Тенденции развития вентильного электропривода
Идея создания ВД, которые должны были стать бесколлекторными аналогами электрических машин постоянного тока, снабженных механическими коллектором и щетками, впервые была осуществлена на основе инвертора с неполностью управляемыми (ионными) приборами в 1933 году. В России начало исследований и разработок связано с именами ДА.Завалишина, О.Г.Вегнера, Б.Н. Тихменева, за рубежом с именами Е.Керна, И.Александерсона и С.Виллиса [1].
Термин «вентильный двигатель» впервые введен И.Александерсоном («Дженерал электрик», США) и формально может быть отнесен к асинхронным двигателям, работающим совместно с преобразователями частоты, а также к коллекторным двигателям, работающим совместно с управляемыми выпрямителями, тем не менее лаконичный термин ВД исторически достаточно прочно установился в отечественной научно-технической литературе и нет другого названия, более точно отражающего специфику этой машины.
В современной отечественной литературе ВД называют синхронными двигателями с постоянным магнитами на роторе и полупроводниковым коммутатором или бесконтактными (бесколлекторными) двигателями постоянного тока (БДПТ)[2,3].
Существует достаточно развитая научная база анализа и проектирования ВД, включающая в себя методы математического моделирования, вопросы теории вентильных электрических машин и основы проектирования двигателей с постоянными магнитами, в основе которых лежат работы советских и российских ученых: И.П.Копылова, Г.А.Сипайлова, А.В.Иванова-Смоленского, А.А. Терзяна, Ш.И.Лутидзе, А.А.Дубенского, И.Е.Овчиникова, В.К.Лозенко, А.И. Вевюрко, А.БЛДукублина В.А.Балагурова, А.И.Бертинова, Ю.И.Конева, Л.И. Столбова, В.А.Лифанова, В.Н.Шалагина.
Научно-технические задачи в области электропривода за последние десятилетия претерпели значительные изменения. Так, в 30-х и 40-х годах в центре внимания были системы электропривода, предусматривающие релейно -контактную автоматику, в 50-х годах - электромашинную, в 60-х годах- электромагнитную, в 70-х годах - полупроводниковую и в настоящее время - средства микроконтроллерной техники. Изменилась силовая основа электропривода, расширилась область применения регулируемого электропривода.
1. Научно-техническая литература о системах управления ВД, появившаяся в конце 60-х годов, относилась в основном к разработке полупроводниковых коммутаторов (инверторов тока или напряжения прямоугольной формы) для синхронных двигателей с постоянными магнитами на роторе. Были сформулированы теоретические положения и перспективы улучшения формы тока фазных обмоток статора [4,5].
2. В начале 70-х годов разрабатываются методы приближения формы кривой тока статорных обмоток к синусоидальной путем широтно-импульсной модуляции по синусоидальному закону. Основным вариантом выбирается трехфазная схема [6].
3. С середины 70-х годов теоретические исследования процессов в ВД различных конструкций достигают максимума, и на их основе идет совершенствование систем управления (опережение угла коммутации для достижения максимума момента, способы уменьшения пульсаций момента двигателя и т.д.) [7,8].
4. С начала 80-х годов исследования направлены на повышение точности отработки угла поворота и заданной скорости в замкнутых системах, на разработку цифровых систем управления на базе микропроцессорной техники, применение звена повышенной частоты в электроприводе и новых эффективных систем электропривода на их основе [9-31, 98-101].
5. С начала 90-х годов в микропроцессорной технике и в силовой электронике наступил новый технологический этап развития и появились новые практические возможности в развитии вентильного электропривода. В соответствии с законом Гордона Мура («Intel», США) каждые 18 месяцев происходит удвоение технологических возможностей в компьютерных системах и как следствие этого произошел переход на микроконтроллеры с последующим увеличением функциональных возможностей и ростом производительности. В силовой электронике - это промышленное использование функционально-законченных силовых модулей со встроенными датчиками и комплектными микросхемами драйверов к ним с оптронным управлением [32,33]. Поэтому на первый план выходят вопросы возможностей программного управления каждым из элементов структуры вентильного электропривода и реализации новых функций и свойств, ранее практически недоступных ввиду сложности аппаратной реализации.
Направления развития вентильного электропривода
Повышение точности и увеличение диапазона регулирования частоты вращения определяется и в основном зависит от точности воспроизведения управляющих сигналов СП, что определяется формой токов, протекающих в обмотках электрической машины. Известны ВД, у которых повышение качества регулирования достигается путем уменьшения пульсаций вращающего момента за счет коррекции форм фазных токов специальными функциями [50-52]. Основные усилия при разработке ВД направлены на улучшение формы тока, формируемого СП в обмотках электродвигателя [53-59].
Наибольшее распространение в качестве базовой структуры получила структура с явно выраженным звеном постоянного тока. Точность воспроизведения в таких структурах достигается следующим образом: повышением частоты коммутации полупроводниковых ключей СП, реализующего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) выходного напряжения по синусоидальному закону; повышением точности измерительных элементов электропривода таких как датчики тока с гальванической развязкой [60], датчики положения ротора с повышенной разрешающей способностью, датчики частоты вращения [61].
Для реализации цели высокоточной отработки управляющих воздействий известны устройства с широтно-импульсной (ШИМ), амплитудно-импульсной, амплитудно-широтно-импульсной (АШИМ) [62-70], квазиоднополосной (КОМ) [71-80] и многозонной-импульсной модуляцией (МИМ) [81-98]. Перечисленные виды модуляции реализуются не только в структурах с явно выраженным звеном постоянного тока, но и в структурах с промежуточным звеном повышенной частоты.
Реализация принципа структурно-алгоритмической организации в звене повышенной частоты упрощается при использовании аналоговых и цифровых входов современных микроконтроллеров. Наличие звена повышенной частоты в ряде случаев позволяет согласовать ключевые возможности полупровод никовых приборов, их предельные характеристики с питающей сетью и нагрузкой, а также повысить КПД и надежность для ВД с синусоидальной формой тока в обмотках статора [99-101].
Обеспечение эффективных режимов торможения электродвигателя идет по двум путям: динамическое (реостатное) и рекуперативное (генераторное) торможение с отдачей электрической энергии в сеть.
Первый путь используется в электроприводах малой мощности с малыми маховыми массами на валу, когда аппаратные затраты на обеспечение возврата электроэнергии в сеть превышает экономию электроэнергии.
Второй путь используется в электроприводах средней и большой мощности с большими маховыми массами на валу. Причем рекуперация может быть реализована при выполнении входного выпрямителя на ключах переменного тока, либо введением дополнительного (рекуперативного) инвертора [53], либо при выполнении преобразователя в виде непосредственного преобразователя частоты на ключах переменного тока [13].
Существует тенденция улучшения качества потребляемой энергии из сети на основе создания преобразователей для электроприводов с приближением формы потребляемого тока к синусоидальному с применением метода бимодуляции [90-93,95,98-100], на основе промежуточного звена повышенной частоты.
Всякое техническое изделие, в том числе вентильный электродвигатель, в процессе своего функционирования проходит три характерных периода работы: приработка (интервал начальных отказов), нормальная эксплуатация (интервал случайных отказов), старения или износа (интервал усталостных отказов) [36]. В данной работе рассматривается метод повышения надежности вентильных двигателей на этапе нормальной эксплуатации.
Одной из главных причин замены коллекторного двигателя постоянного тока вентильным двигателем является стремление повысить ресурс и надежность систем электропривода, сохранив хорошие энергетические характеристики и регулировочные свойства. При этом чаще всего используется классическая схема с трехфазным синхронным электродвигателем и полупроводниковым коммутатором, содержащим также трехфазный мостовой инвертор. Такая схема обеспечивает удовлетворительные электромеханические характеристики электропривода, достаточные надежность и ресурс.
Дальнейшее повышение надежности вентильного электропривода возможно за счет создания высоконадежных систем по методам: параллельного соединения блоков, мажоритарной выборки, систем с ненагруженным резервом [34]. Рассмотрим известные высоконадежные системы вентильного электропривода.
Математическая модель двухфазного режима трехфазного синхронного электродвигателя
Для трехфазного режима [95] известно, что в симметричной системе потребляемый ток содержит только нулевую гармонику. В то же время и в двухфазном и в трехфазном режимах формируется круговое вращающееся поле и конструктивная несимметричность электрической машины в двухфазном режиме обуславливает ухудшение гармонического состава тока, потребляемого от источника напряжения.
Для бесконтактного двигателя постоянного тока известно, что мгновенное значение электромагнитного момента М [20,31] на валу может быть определено через потребляемый ток /Е(А): M = KM-IZ (Нм), где Кн постоянная момента, Км=0.02036(Нм!А) - для электродвигателя ДСТ-0.18.
Тогда при конструктивной симметрии электродвигателя и круговом вращающемся поле постоянный потребляемый ток определяет постоянный момент М. На этом принципе строятся регуляторы момента ВД, т.е. для поддержания постоянной величины Iz вместо слежения за током в каждой фазе осуществляется контроль за потребляемым током 1Ъ [150].
В аварийном двухфазном режиме происходит снижение электромагнитного момента, по сравнению с трехфазным. Поэтому необходимо определить коэффициент компенсации токов в двухфазном режиме Кг с учетом фазового сдвига токов я73, т.е. во сколько раз необходимо увеличить ток в оставшихся фазах для компенсации уменьшения вращающего момента с учетом трехфазного исполнения ВД и выбытия из работы одной фазы. Для этого можно рассмотреть графическую иллюстрацию колебаний электромагнитного момента на интервале In по диаграмме векторов МДС в аварийном двухфазном режиме, представленной на рис. 2.18.
Вектор МДС ОА с амплитудой 1М по оси 0-я- соответствует амплитуде тока в трехфазном режиме и конец вектора с амплитудой 1М описывает внешнюю окружность с центром в точке О. Векторы токов фаз в двухфазном режиме могут занимать положения по осям 0 я и 5я/ 3—2я73, т.е. со сдвигом токов на я73. В секторе AOF формирование вектора МДС ограничено
Диаграмма векторов МДС в аварийном двухфазном режиме отрезками прямых линий AL и LF, т.е. амплитуда формируемого вектора больше 1М, и отсутствуют ограничения при формировании МДС. В секторе АОК формирование вектора МДС ограничено отрезками прямых линий AM и МК, т.е. амплитуда формируемого вектора МДС меньше IM, и ограничивается вектором ОВ, последовательные положения которого описывают внутреннюю окружность с радиусом 1м2 = IM -cosл-/6 = 1М V3 /2 с центром в точке О, т.е. для сохранения кругового вращающегося поля необходимым условием является уменьшение максимальной амплитуды вектора МДС в -Тз/2 раза в двухфазном режиме.
При отказе в одной из трех фаз в двухфазном режиме вентильного электродвигателя активная мощность уменьшается на одну треть относительно трехфазного режима. Поэтому для сохранения прежнего значения активной мощности требуется увеличивать мощность каждой из оставшихся фаз в 3/2 раза относительно мощности фазы в трехфазном режиме.
В результате можно определить коэффициент компенсации амплитуды токов в двухфазном режиме Кг с учетом компенсации уменьшения амплитуды максимального вектора МДС в VI/2 раза и необходимости увеличения мощности каждой из оставшихся фаз в 3/2 раза в двухфазном режиме работы
Минимум электромагнитного момента Л/Э2 приходится на углы 11я76 и 5я76. На диаграмме (см. рис. 2.18) видно, что векторы OD и ОЕ имеют половинную амплитуду 1М /2 и формируют вектор OG с амплитудой 1м2.
Максимум электромагнитного момента МЭ2 приходится на углы я/3 и 4я73. На диаграмме (см. рис. 2Л 8) видно, что векторы ON и ОР имеют амплитуду 1м2 и формируют вектор ОН с амплитудой 1м2. Вектор ОВ с амплитудой 1м2 формируется векторами ОА с полной амплитудой 1М и вектором ОС с амплитудой 1М /2,
Ось симметрии я73-4я73 определяет два максимума, а ось симметрии Пл76-5я76 определяет два минимума на один оборот ВД. Для принятого угла нагрузки в аварийном режиме ц/А—ж/6 обратные векторы ЭДС фаз "А", "В" будут располагаться по осям я76 и Зя72, т.е. ось 11л-/6-5л/6 становится осью симметрии электрической машины в аварийном режиме.
В двухфазном режиме активная мощность падает на треть, поэтому обязательным условием построения системы управления ВД является максимальный учет факторов влияющих на уменьшение момента на валу, в частности, для учета активно-индуктивного характера нагрузки от частоты вращения вводится коррекция в задание на фазные токи в функции от скорости вращения [1,2,20] в виде (р = агсЩтЬр1г или в случае недостатка вычислительной мощности микропроцессора расчетная формула может быть упрощена для случая синусоидальных токов (р » tg p=a}Lpfr.
Таким образом, для трехфазной электрической машины с фазовым сдвигом токов в оставшихся фазах яг/3 и равенстве формируемых фазных токов синусоидальной формы мгновенное значение электромагнитного момента МЭ2 пульсирует с удвоенной частотой и в пределах угла поворота 2л-радиан изменяется в 3 раза (от 1/2 до 3/2), при этом векторы магнитодвижущих сил формируются постоянной амплитуды 1м2= IM --73/2, и для компенсации прежнего максимального значения момента (до аварийного в трехфазном режиме) значения токов требуется увеличить в з=Л раз.
. Исследование свойств вентильного электропривода методом коммутационных функций
Трехфазный (в общем случае m-фазный) измерительный частотный преобразователь тока (ИЧПТ) [60,61] предназначен для контроля тока потребления многофазных электрических систем и может быть применен для цепей диагностики электропривода.
ИЧПТ (рис.3.11) содержит трансформаторный автогенератор, включающий трансформаторы TVa, TVb, TVC с двумя группами рабочих обмоток (включенными по нулевой схеме преобразователя напряжения) и индуктивно связанными с ними проводниками по которым протекают измеряемые токи іа, іь і« инверторы D1.1..DD1.3, RC цепи, и преобразователь частота - напряжение (ПЧН).
Так как схема трансформаторного автогенератора симметрична и трансформаторы TVa, TVb) TVC индуктивно не связаны друг с другом, то частота трансформаторного автогенератора, а следовательно, и выходное напряжение ПЧН при определенном значении напряжения питания Еп и отсутствии измеряемых токов ia=ib=ic=0 определяется суммарной индуктивностью последовательно включенной первой группы обмоток на одном из полупериодов выходного напряжения трансформаторного автогенератора и суммарной индуктивностью последовательно включенной второй группы обмоток на другом полупериоде выходного напряжения трансформаторного автогенератора. Сигнал на частотном выходе имеет форму меандра.
Устройство работает следующим образом: частота колебаний рабочих обмоток в каждом из полупериодов выходного напряжения имеет начальное значение при нулевых измеряемых токах. В соответствии с этим начальным значением частоты выходное напряжение ПЧН устанавливается равным нулю.
При протекании тока синусоидальной формы по проводникам (рис. 3.12) осуществляется подмагничивание сердечников трансформаторов. В результате индуктивность рабочих обмоток уменьшается, а частота трансформаторного автогенератора увеличивается. На рис. 3.13 представлены диаграммы при неисправности типа неполнофазный режим, отказ фазы "С". Так как схема трансформаторного автогенератора симметрична и трансформаторы индуктивно не связаны друг с другом, то частоты автогенератора, следовательно, и выходное напряжение ПНЧ определяется суммой мгновенных значений токов всех фаз без учета их знаков.
Рассмотрим возможности по диагностике электропривода с применением ИЧИГ для кранового электропривода (рис. 3.14) с микроконтроллерным ограничителем грузоподъемности и регистратором параметров [157,159], представленных в таблице 3.3.
Свойства ИЧПТ в электроприводе: - обладает высоким быстродействием (время реакции единицы микросекунд) и может быть применен в преобразователях частоты в том числе промежуточным звеном повышенной частоты; - наличие высокочастотных трансформаторов в ИЧПТ позволяет в 3..,5 раз улучшить массогабаритные показатели датчика (по сравнению с трансформаторами тока, работающими на частоте 50 Гц); - ИЧПТ технологичен, возможен монтаж всех элементов на печатной плате; - в отличие от трансформаторов тока, работающих на частоте 50 Гц, ИЧПТ позволяет вести контроль токов в диапазоне частот не менее чем 0-100 кГц; - хорошо согласуется с микроконтроллером как по цифровому, так и по аналоговому входу, и при использовании цифрового выхода позволяет легко передать цифровой частотный сигнал на удаленный микроконтроллер по двухпроводной или беспроводной (по радиоканалу) линии связи; - позволяет исключить звено аналого-цифрового преобразования (прямое преобразование ток-код); - позволяет получить суммарный сигнал для анализа /и-фазной системы токов; - позволяет получить суммарный токовый сигнал по модулю.
Выводы
1. Вентильный электропривод с резервированием силовых цепей обеспечивает повышение надежности за счет резервирования силовых цепей и реализации режима рекуперативного торможения при одновременном расширении диапазона регулирования скорости вращения с применением метода многозонной импульсной модуляции;
2. Преобразователь m-фазного напряжения для вентильного электропривода позволяет повысить надежность за счет реализации режима рекуперативного торможения при одновременном расширении диапазона регулирования в 2 раза за счет применения метода амплитудно-широтно-импульсной модуляции в преобразовательной ячейке мостового типа;
3. Частотно-регулируемый рекуперативный электропривод на основе АД повышает надежность электропривода за счет упрощения конструкции и реализации режима рекуперативного торможения при повышении массогабаритных показателей и увеличении перегрузочной способности;
4. Трехфазный измерительный частотный преобразователь тока позволяет повысить надежность электропривода за счет упрощения цепей диагностики в рабочих и аварийных режимах работы.
