Отказоустойчивый многофазный асинхронный электропривод с несинусоидальными токами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62-83-523

ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЙ МНОГОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМИ ТОКАМИ

Г.И. Однокопылов

Томский политехнический университет E-mail: OGIz@yandex.ru

Рассмотрен принцип построения многофазного асинхронного электропривода, позволяющего при неоднократных отказах преобразователя частоты идвигателя обеспечить отказоустойчивое управление, на основе программируемых несинусоидальных токов с восстановлением работоспособности за счет активизации алгоритма восстановления в управляющем микроконтроллере. Приведены результаты моделирования для аварийной ситуации типа «обрыв фазы» для случая трехфазного двигателя с частичным восстановлением работоспособности асинхронного двигателя.

Ключевые слова:

Живучесть асинхронного электропривода, многофазный асинхронный электропривод, несинусоидальный ток.

Key words:

Fault-tolerance of induction motor drive, multiphase induction motor drive, non-sinusoidal current.

Для электроприводов в составе опасных производственных объектов: ядерные, военные, химические, строительные, металлургические, транспортные, в том числе трубопроводный транспорт - целесообразно применение отказоустойчивого управления с обеспечением свойства «живучести». Аварийный выход из строя таких электроприводов может привести к нарушению безопасной эксплуатации оборудования с риском для персонала с большими экономическими потерями.

Важность решения этой проблемы отмечена в постановлении Правительства РФ № 241 «О мерах по обеспечению промышленной безопасности опасных производственных объектов на территории Российской Федерации» от 28.03.2001.

По ГОСТ 27.002-89 свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при наличии дефектов или повреждений определенного вида, а также при отказе некоторых компонентов определяется термином «живучесть». Для вышеперечисленных областей применения асинхронного двигателя (АД) задача обеспечения отказоустойчивости со свойством живучести становится определяющей.

Из теории живучести технических систем известно, что данным свойством обладают только избыточные системы, а избыточность в технических системах достигается через резервирование. Можно выделить пять видов резервирования для обеспечения отказоустойчивости электроприводов, представленных на рис. 1.

Рис. 1. Связь видов резервирования в обеспечении отказоустойчивости электроприводов

Известные устройства и способы обеспечения живучести электропривода переменного тока на основе АД рассмотрены в работе [1]. По способу обеспечения необходимой избыточности силовых цепей электропривода возможны два подхода: со структурной избыточностью и с функциональной избыточностью.

Электропривод на основе структурного резерва не получил широкого распространения ввиду сложности и высокой стоимости.

Развитие и применение получили системы электропривода на основе функционального резервирования с наличием избыточности силовых цепей в неявной форме.

Избыточность системы электропривода на основе информационного (процессорного) резерва, имеет тенденцию к удвоению вычислительной мощности каждые 18 месяцев при неизменной стоимости, согласно закону Гордона Мура (Ше1, ША), что позволяет обеспечивать выполнение усложненных алгоритмов восстановления работоспособности электропривода.

Нагрузочный резерв позволяет обеспечить необходимый запас по току и напряжению силовых элементов электропривода в процессе восстановления работоспособности аварийного АД и его дальнейшем функционировании.

Временной резерв в алгоритме восстановления позволяет использовать фильтрующие свойства запасенной энергии маховых масс электропривода для снижения провала частоты вращения в процессе переключения структуры электропривода.

На рис. 2. приведены способы обеспечения отказоустойчивости частотно-регулируемых АД с функциональным резервированием и алгоритмическим восстановлением работоспособности.

В работе [2] показано, что использование 5- или 7-фазных АД в электроприводе с векторным управлением имеет преимущество, так как при большом числе фаз обеспечивается дополнительная степень свободы. Требуемая комбинация токов для

Способы обеспечения отказоустойчивости частотно-регулируемых АД с функциональным резервированием и алгоритмическим восстановлением работоспособности

Z

I

Е

I

I

Использование 3- фазных АД с сохранением кругового вращающегося поля в 2-фазном режиме Использование 5-или 7- фазных АД с восстановлением кругового вращающегося поля Использование 6-или 9- фазных секционированных АД с сохранением кругового вращающегося поля Введение гармоник напряжения для нейтрализации пульсаций магнитного потока, несинусоидальные токи Переход в режим 3 фазного питания от промышленной сети (в режиме нерегулируемого электропривода)

L, 1л hi АД !

Й8= ИН — U1 ПЧ1 —> "rnTr'"ii

L *

— U1 ПЧш —) il—]j

Рис. 3. Функциональная схема m-фазного преобразователя частоты

Выражения для синусоидальных фазных токов I;. Im...INm, могут быть записаны в виде:

Ini = Imi 'sin at;

2n(i -1)

INm = IMm ■ Sin| at + -

m

Рис. 2. Способы обеспечения отказоустойчивости частотно-регулируемых АД c функциональным резервированием иалгорит-мическим восстановлением работоспособности

обеспечения той же вращающейся МДС после обрыва фазы становится не уникальной (т. е. возможно несколько вариантов). При обрыве одной фазы и соответствующем управлении не будет обязательным наличие нулевой последовательности токов в отличие от трехфазного АД. Поэтому можно исключить провод соединения с нейтралью и обеспечить работу АД с гладким, без пульсаций, моментом алгоритмическим путем в программе микроконтроллера на основе функционального резервирования.

В работе [3] показано, что при использование 9фазных АД, выполненных в виде 3 секций, возможна работа при обрыве 2 фаз с сохранением работоспособности и при обрыве 1 фазы с сохранением номинального момента и с увеличением плотности тока в оставшихся фазах рабочих секций. При отказе в одной из фаз 6-фазного АД возможна работа с одной 3-фазной обмоткой в половину мощности. Многофазный электропривод содержит по определению элементы избыточности в неявной форме, поэтому в нем может быть обеспечено восстановление на основе функционального резервирования с алгоритмическим изменением структуры электропривода при выявлении отказа в одной из фаз. Применение функционального резервирования позволяет без дополнительных аппаратных затрат за счет внутренней избыточности и избыточности информационного или процессорного ресурса обеспечить восстановление работоспособности.

В статье рассматривается способ обеспечения повышенной живучести многофазного АД за счет изменения формы токов в оставшихся фазах и с полным исчерпанием избыточного резерва. Обеспечивается частичное восстановление работоспособности с номинальным моментом на основе несинусоидальных токов для электродвигателя со связанными и развязанными [4] фазами при внезапных отказах преобразователя частоты типа «невключение ключа», «невыключение ключа» или обрыв фазы двигателя.

Функциональная схема преобразователя частоты с т-фазным АД приведена на рис. 3, где ИН -источник напряжения, ПЧ1_ПЧШ - ключевые усилители преобразователя частоты, нагрузкой которых служат обмотки фаз «1»...»т» т-фазного АД.

где IMl=IUm=IM, IM- амплитуда фазного тока.

В первом приближении процесс модуляции по току ключевых усилителей ПЧ;.ПЧШ с синусоидальной огибающей для основной гармоники можно представить через непрерывные модулирующие функции Kl(t).Km(t) (математический аппарат коммутационных разрывных функций) [5], устанавливающие связь между энергетическим входом и выходом ключевых усилителей мощности ПЧ;.ПЧт:

I1 — IN1K1 (t) _ 1 M Sin at;

Im INmKm (t) IM Sin | at +

2n(i -1)

m

K1 (t) = sin at; Km (t) = sin | at +

2n(i -1)

где

т

Потребляемый ток 1т1 от источника напряжения может быть записан в виде:

1 т Е = 11 + ••• + 1т •

Поэтому:

2п(1 -1)' т

ImZ = IM | sin at +... + sin | at + :

. -Т ■ 2 I 2п(г-1) | 1мт

=1м Е 81п2|®?+—(—-1=-Мг ’

1=1 I т ) 2

учитывая, что согласно теореме о сумме квадратов синусов (косинусов):

£ sin2| at + 2n(i -1)

m

m

Активную мощность полностью работоспособного т-фазного АД, потребляемую от ИН (рис. 3), можно представить в виде:

Рт^ЩтЪ

где п - КПД преобразователя частоты, и1 - постоянное напряжение на выходе ИН.

Поэтому для т-фазного АД с синусоидальными токами в обмотках статора можно записать: Рт^и^т/2.

В случае выявления п отказов для т-фазного АД (предполагается последовательная отработка отказов во времени, хотя алгоритм предполагает и одновременные множественные отказы) и формирования соответствующих битов отказов а; (а=1, —=0 -есть отказ соответствующей фазы преобразователя частоты, отказ ключа преобразователя частоты или обрыв обмотки статора, значение 0 бита отказа означает нулевой I ток в соответствующей фазе) потребляемый ток 1п£ от ИН может быть записан в виде:

1пЕ = й111 + ••• + ат1т • т т I -2 *2 I 2п( 1)

1пе= 1м I а^т Ш + ••• + ат 81П | Ш +

m

= IM £ ai sin21 at

2n(i -1)

/=1 V т

Активную потребляемую мощность от ИН (рис. 3) с учетом наличия п выявленных битов отказов — можно записать в виде:

Рп=пи 4>

Восстановление работоспособности возможно при выполнении условия равенства активной мощности Рт до и Рп после появления п отказов в случае соответствующего увеличения токов в оставшихся фазах в к раз: к=Р„/Рп для выполнения условия: Рт=кРп.

Кроме того, необходимо выполнение условия анализа остаточного резерва электропривода вычисляемого как: т-п. Если т-п>2, возможно восстановление работоспособности электропривода с формированием несинусоидальных токов в обмотках статора:

т

Р I., 1______

к =-

P I L

m mL

Z. 21 2n (i 1)

ai sin | at +

(1)

1=1 V т

Фазные токи в системе управления электроприводом формируются по выражению:

2ж(г -1) ^ т ~2

IM sin | at + '-

I=

m

£ ai sin21 at

2п(г -1)

/=1 V т

Обязательным требованием реализации алгоритма восстановления является наличие программного управления формируемыми фазными токами. На ос-

нове анализа фазных токов осуществляется выявление битов отказов в каждом такте ШИМ. В рабочем режиме функционирования АД происходит программное формирование синусоидальных фазных токов, а после выявления отказа форма тока становится несинусоидальной, причем форма тока в каждой фазе зависит от числа фаз двигателя и числа отказов.

Для проверки предложенного способа повышения живучести АД была разработана имитационная модель частотно-регулируемого асинхронного электропривод в среде МаНаЬ Simu1ink [6] для двигателя типа MTF-3l1-6.

На рис. 4 приведены результаты моделирования для АД при т=3, п=2 и отказе в фазе «А»: -а=0, 1а=1ма;зтю/=0 для случая номинальной нагрузки двигателя.

Выражение (1) для коэффициента к в этом случае упрощается:

3

____________2_______________

P I к = -1- = =

2п\ —

аь sin | at + — 1 + ac sin| at +

4п

Несинусоидальные фазные токи в системе управления электроприводом формируются по выражениям:

Ib =

2 im sin

at + -

2n

2пЛ - . ab sin | at + — I + ac sin

| 3 J

3 . ( 4n

—I., sin | at + —

at + -

4n

I=

. . 2п] — .( 4n

ab sin | at + — I + ac sin | at + —

3 J I 3

Из временных диаграмм видно, что для электропривода с независимым формированием фазных токов преобразователя частоты при отказе в одной из фаз в режиме номинального момента удается восстановить работоспособность по частоте вращения на уровне 29 %. При этом амплитуда несинусоидальных фазных токов возрастает в переходных процессах в 2,25 раз и в установившемся режиме в 1,8 раз. Как видно из временных диаграмм, за счет заданного алгоритмом программного формирования формы тока в фазных обмотках происходит сдвиг векторов токов в оставшихся фазах до величины п/3 радиан и с учетом равенства МДС в фазах выполняется условие сохранения кругового вращающегося поля двигателя.

Алгоритм отказоустойчивого управления с повышением живучести многофазного АД с синусоидальными токами при неоднократном аварийном отключении фаз двигателя в процессе формирования несинусоидальных токов на основе функционального резервирования отличается сравнительной простотой, при этом основная нагрузка ложится на информационный (процессорный) резерв и нагрузочный резерв.

i=1

рад/с, ю

0 __________і______________і______________і_____________і______________і______________і______________і_____

1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 t, с

А, ідДбДс

Рис. 4. Временные диаграммы переходных процессов переключения структуры электропривода из рабочего трехфазного с синусоидальными токами при аварии в одной из фаз в аварийный двухфазный режим работы с несинусоидальными фазными токами

Выводы

1. Разработаны принцип и способ отказоустойчивого управления с повышением живучести многофазного асинхронного двигателя с синус -оидальными фазными токами в рабочем режиме, позволяющие при неоднократном аварийном отключении фаз двигателя на основе изменения формы токов в оставшихся фазах на несинусоидальные с контролем степени исчерпания избыточного резерва, вплоть до полного исчерпания, при наличии двух исправных фаз двигателя.

2. На основе разработанной имитационной модели в среде МаНаЬ Simu1in показан процесс восстановления работоспособности трехфазного асинхронного электропривода с независимым формированием фазных токов преобразователя частоты при отказе в одной из фаз на основе

формирования несинусоидальных фазных токов, позволяющий восстановить работоспособность в режиме номинального момента с ограничением по частоте вращения на уровне 29 %.

3. В процессе формирования способа отказоустойчивого управления амплитуда несинусоидальных фазных токов возрастает в переходных процессах в 2,25 раз и в установившемся режиме в 1,8 раз.

4. В процессе формирования способа отказоустойчивого управления за счет заданного алгоритмом программного искажения формы тока в фазных обмотках происходит сдвиг векторов токов в оставшихся фазах до величины п/3 радиан и с учетом равенства МДС в фазах выполняется условие сохранения кругового вращающегося поля двигателя.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Однокопылов Г.И., Однокопылов И.Г Обеспечение живучести электродвигателей переменного тока: Монография. - Томск: Изд-во ТПУ, 2005. - 187 c.

2. Fu Jen-Ren, Lipo TA. Disturbance-free operation of a multiphase current-regulated motor drive with an opened phase // IEEE Trans. Ind. Appl. - 1994. - V. 30. - № 5. - Р. 1267-1274.

3. Глухов Д.М. Моделирование многофазных асинхронных двигателей в аварийных режимах: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2005. - 18 с.

4. Конев Ю.И., Гулякович Г.Н., Полянин К.П. и др. Микроэлектронные электросистемы. Применение в радиоэлектронике. -М.: Радио и связь, 1987. - 240 с.

5. Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуляция (Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии). - Новосибирск: Наука, 1979. - 304 с.

6. Однокопылов Г.И., Брагин А.Д. Исследование в среде МаІІаЬ Simulink трехфазного асинхронного электропривода в аварийном двухфазном режиме работы // Технические науки -от теории к практике: Матер. XVI Междунар. заочной научно-практ. конф. - Новосибирск, 2012. - С. 125-130.

Поступила 01.02.2013 г.