RO137140A2 - Convertizor static destinat alimentării motoarelor asincrone pentafazate şi metoda de comandă pentru tratarea unui defect cauzat de întreruperea unei faze - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un convertizor static pentafazat destinat alimentării motoarelor electrice asincrone pentafazate şi la o metodă de comandă în cazul aparţiei unui defect cauzat de întreruperea unei faze. Convertizorul conform invenţiei este constituit din zece comutatoare (4,5,...,13) electronice de putere, cinci dintre comutatoare (4, 5,...,8) fiind conectate la polaritatea pozitivă a unei surse de tensiune continuă, iar celelelate cinci comutatoare (9, 10, ...,13) fiind conectate la polaritatea negativă a sursei de tensiune continuă, comutatoarele (4, 5,...,13) fiind comandate de un bloc (14) electronic de comandă cu microprocesor care generează la ieşirea convertizorului pulsuri de tensiune cu durată variabilă care, aplicate unui motor (3), au ca efect stabilirea unor curenţi alternativi cu formă de undă sinusoidală prin fazele motorului, curenţi ce vor fi măsuraţi cu ajutorul unor traductoare (20, 21, ...,24) de curent care vor furniza informaţii despre valoarea instantanee a acestora care, împreună cu informaţia privind tensiunea continuă de alimentare, furnizată de un traductor (31) de tensiune continuă, şi cu informaţia privind turaţia, furnizată de un traductor (33) de turaţie, vor fi prelucrate de blocul (14) de comandă pentru reglarea cuplului şi turaţiei motorului (3). Metoda de comandă constă în monitorizarea celor cinci curenţi de fază astfel încât, în cazul în care unul dintre curenţi este nul o perioadă determinată de timp, blocul de comandă semnalează lipsa fazei corespunzătoare şi reglează pulsurile de comandă a comutatoarelor pentru a obţine curenţii prin fazele sănătoase de la ieşirea convertizorului astfel încât să fie separate în două grupuri de câte doi curenţi, cu un defazaj în interiorul grupului de 72° şi un defazaj între cele două grupuri de 108°, pentru a produce în continuare cuplu motor util şi reglează lăţimea pulsurilor astfel încât curentul pe fiecare fază sănătoasă a motorului să nu depăşească valoarea nominală.

Description

Titlul Invenției: CONVERTIZOR STATIC DESTINAT ALIMENTĂRII MOTOARELOR ASINCRONE PENTAFAZATE ȘI METODA DE COMANDĂ PENTRU TRATAREA UNUI DEFECT CAUZAT DE ÎNTRERUPEREA UNEI FAZE

Domeniul tehnic: Inginerie Electrică, Subdomeniul Mașini și Acționări Electrice, Ramura Convertizoare electronice pentru alimentarea motoarelor electrice.

Invenția se refera la un convertizor static pentafazat destinat alimentarii motoarelor electrice asincrone pentafazate si la o metoda de comanda in cazul apariției unui defect cauzat de întreruperea unei faze.

Stadiul actual al tehnicii mondiale cuprinde referințe despre echipamente destinate acționarii motoarelor electrice asincrone polifazate, brevetate si aflate în stare de comercializare, însă acestea se refera la soluția de convertizor cu șase faze ce acționează un motor electric cu șase faze, convertizorul fiind practic realizat din două convertizoare trifazate puse in paralel iar motorul prezintă două înfășurări trifazate puse in același stator. In cazul apariție unei întreruperi de faza acestea nu pot asigura parametrii optimi de funcționare datorita imposibilității acestora a izola defectul respectiv, in cazul apariției unui defect, unul dintre cele doua convertizoare trifazate se oprește iar motorul devine practic un motor trifazat cu putere redusa.

Sunt cunoscute o serie de convertizoare care nu tratează eficient cazul în care una dintre fazele unui sistem de acționare electrica cu motor asincron pentafazat se întrerupe sau se rezumă la cazul sistemelor de acționare cu motoare polifazate sincrone cu magneți permanenți. De exemplu soluția prezentata in US9450482B2 se refera doar la identificare unui defect și la protecția convertizorului în cazul unui scurtcircuit, iar soluțiile prezentate în US20120313564A1 și US9787237B2 se referă la sisteme de acționare cu motoare cu magneți permanenți polifazate.

Scopul invenției, problema tehnica pe care o rezolvă invenția constă în alimentarea unui motor asincron pentafazat de la un convertizor static pentafazat în condiții normale de funcționare precum și metoda de comandă a convertizorului în cazul în care una dintre fazele de alimentare se întrerupe.

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- permite acționarea unui motor electric asincron pentafazat in condiții optime;

- permite funcționarea în cazul în care una dintre faze se întrerupe asigurând astfel redundanța acolo unde acest lucru este critic;

- permite acționarea unui număr mare de combinații de sarcini electrice, printre care motor asincron trifazat plus convertizor de încărcare a bateriilor de la bordul vehiculelor electrice, convertizor de încărcare a bateriilor electrice si a supercapacitorilor, motor trifazat cu magneți permanenți si punte de recuperarea a energiei de frânare.

Se prezintă in continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu figurile l - 6, care reprezintă:

- figura 1, schema bloc a convertizorului pentafazat care alimentează un motor asincron pentafazat;

- figura 2, schema interna a convertizorului pentafazat;

- figura 3, schema blocului de comanda;

- figura 4, schema de reglare implementa de către blocul de comanda;

- figura 5, schema blocului de genere a pulsurilor de comanda;

- figura 6a, diagrama vectoriale a curenților de faze in timpul funcționari normale;

- figura 6b, diagrama vectoriala a curenților de faza in cazul unei întreruperi de faza;

- figura 6c, diagrama vectoriala a curenților de faza in cazul introducerii corecției necesare pentru a permite funcționarea cu o faza întrerupta.

întreg sistemul de acționare este reprezentat schematic in figurai unde convertizorul pentafazat (1) este alimentat de la o sursa de curent continuu (2), acesta alimentând la rândul sau un motor electric asincron pentafazat (3).

Convertizorul (1), prezentat in detaliu în figura (2), este compus din zece comutatoare electronice de putere, cinci dintre acestea, (4), (5), (6), (7), (8), fiind conectate la polaritatea pozitiva a sursei de tensiune continuă, iar celelalte cinci, respectiv, (9), (10), (11), (12), (13), fiind conectate la polaritatea negativa a sursei de tensiune continuă, acestea fiind comandate de blocul electronic de comandă (14) prin comenzile (15), (16), (17), (18), (19), folosind tehnica modulației in lățime a pulsurilor, care generează la ieșirea convertizorului pulsuri de tensiune cu durată variabilă care, aplicate motorului (3), au ca efect stabilirea unor curenți alternativi cu forma de unda sinusoidală prin fazele motorului, curenți ce vor fi măsurați de către traductoarele de curent (20), (21), (22), (23) și (24) ce vor furniza informații, (25), (26), (27), (28) și (29), despre valoarea instantanee a acestora, care împreună cu informația de tensiune de alimentare (30) furnizată de traductorul de tensiune continuă (31) și informația de turație motor (32) furnizată de către traductorul de turație (33) vor fi procesate de către blocul de comanda (14) pentru reglarea cuplului si turației motorului (3).

Blocul de comandă (14) prezentat în figura 3, este realizat cu microprocesor, care realizează calculul lățimii pulsului de comandă folosind teoria reglării cu orientare după câmpul magnetic al motorului de curent alternativ, metodă în care informația referitoare la prescrisa de cuplu (34) și prescrisa de turație (35) dorite a fi realizate de către motor, sunt prelucrate numeric astfel încât să poată fi comparate cu informațiile (25), (26), (27), (28) și (29) provenite de la traductoarele de curent, (20), (21), (22), (23), (24) și astfel, să poată fi determinată lățimea pulsurilor de comanda (15), (16), (17), (18) și (19) în funcție de diferența dintre cele doua seturi de informații.

Reglarea cu orientarea după câmpul magnetic al motorului descrisă în figura 4 se referă la un model matematic al motorului asincron (3) care propune ca informația (25), (26), (27), (28) și (29) provenită de la traductoarele de curent (20), (21), (22), (23) și (24) să fie prelucrată astfel încât să se facă trecerea de la un sistem de 5 semnale sinusoidale de curent, i_Al i_B, i_c, i_D, i_E notate cu (36), (37), (38), (39) și (40), la un sistem de 4 curenți i_D, Îq, i_x, i_Y, notați cu (41), (42), (43) și (44) cu ajutorul matricelor C și P din formulele [1], [2]:

2π cos —

2π sin —

4π c^05-^^-

4π sin —

V2

4π 6π 8π · cos— cos— cos —

55

4π 6π8π sin— sin— sin —

55

8π 12π16π cos— cos—— cos——

55

8π 12π16π sin— sin—— sin——

55

111

V2 V2 V2 [1] cos Θ sin Θ 00 — sin0 cos0 00

0 cos0sin0

0 — sin0 cos0.

[2]

Unde, în formula (2) unghiul Θ reprezintă poziția motorului, (45), informație furnizata de către traductorul de viteza (33) prin semnalul de turație (32), transformarea fiind data de următoarea ecuație matriceală [3]:

i_D' ix

-ίγ= [P][C] ia' î-b ic î-d ^E[3]

Folosind o astfel de transformare, ecuațiile [4], [5] și [6] care fac legătura dintre cuplul si câmpul magnetic al motorului si curenții de pe fiecare faza (36), (37), (38), (39) și (40) devin liniare, curentul i_D (41) fiind direct proporțional cu intensitatea câmpului magnetic (46), reglarea acestuia permițând controlul saturării magnetice a motorului, curentul i_Q (42) fiind direct proporțional cu cuplu motor M (47), iar cei doi curenți i_x (43) si i_Y (44) fiind direct proporționali cu pierderile suplimentare din motor

P ^rsup· = ÎD[4]

M = k_t-i_Q[5]

Psup = f&x, ίγ)[6] unde k_t si L_m reprezintă constanta de cuplu a motorului, respectiv inductivitatea de magnetizare a motorului, valori determinate de producătorul motorului.

Pentru a realiza comparația între mărimile impuse, cuplul (34) si turația (35), și curenți măsurați i_D, Îq, ΐχ, ίγ, (41), (42), (43) și (44), blocul de comandă (14) realizează conversia acestor mărimi impuse în curenți de referință Îq, ίχ, iț, (48), (49), (50) și (51), folosind ecuații similare cu [4], [5] și [6], astfel curentul impus Îq (49), va fi proporțional cu cuplul impus M*(34), curentul impus i^ (48) va fi proporțional cu câmpul magnetic impus (52), iar cei doi curenți ϊχ (50) si iț (51) vor fi impuși direct cu valoare nulă pentru a minimiza pierderile suplimentare în motor, aceste proporționalități fiind descrise de ecuațiile [7], [8] si [9]:

Μ* _{r =}^m₌ U_CC

L_m n*·L_m i*_x = iț = 0

[7]

[8]

[9] unde câmpul magnetic impus (52) este direct proporțional cu valoarea tensiunii continue U_cc (30) ce alimentează convertizorul (l) și invers proporțional cu valoarea turației impuse n* (35), iar constantele k_t si L_m au aceeași semnificație ca si in cazul precedent, respectiv constanta de cuplu a motorului si inductivitatea de magnetizare a motorului.

Conform schemei din figura 4, având calculați curenții de referință i_B, Îq, i_x, iț, (48), (49), (50), (51) și curenții i_D, Îq, i_x, i_Y, (41), (42), (43), (44) corespunzători curenților de faza i_A, i_B, i_c, i_D, i_E, (36), (37), (38), (39) și (40), se pot determina lățimile pulsurilor de comandă (53), (54), (55), (56) și (57) pentru comutatoarele convertizorului static prin introducerea erorii dintre mărimile impuse si cele măsurate într-un regulator numeric (58), care generează valorile variabilelor de referință u_A,u_B,u_c,u_D,u_E (59), (60), (61), (62) și (63).

Așa cum este prezentat în figura 5, lățimea pulsurilor de comandă (53), (54), (55), (56) și (57) este direct proporțională cu valoarea amplitudinii acestor variabile (59), (60), (61), (62) și (63). Aceste pulsuri de comanda vor fi adaptate si izolate galvanic de către blocul de comanda (14), aceste noi semnale, (15), (16), (17), (18), (19), fiind folosite pentru comanda comutatoarelor (4), (5), (6), (7), (8), (9),(10),(11),(12),(13).

Pentru a realiza protecția în cazul unui defect cauzat de întreruperea unei faze, conform descrierii din figura 6a, blocul de comanda (14) monitorizează valorile curenților de fază (36), (37), (38), (39) și (40), iar în cazul descris în figura 6b, în care unul dintre curenți - exemplul curentul i_A (36) devine nul pentru o perioada predefinită de timp, blocul de comanda (14) ia decizia de a semnaliza un defect cauzat de întreruperea unei faze și în același timp va regla pulsurile de comandă (53), (54), (55), (56) și (57) astfel încât sistemul de tensiuni de la ieșirea convertizorului să producă în motor un sistem de curenți capabil să asigure în continuare cuplu util, fără încălzirea excesivă a motorului.

Acest lucru va fi realizat, așa cum este descris în figura 6c, prin modificarea defazajului dintre vectorii de curent rămași funcționali (37), (38), (39) și (40) concomitent cu reglarea amplitudinii acestor vectori, operație ce este realizata de către blocul de comanda (14) prin impunerea directa a defazajului dintre variabilele (59), (60), (61), (62) și (63) care reprezintă tensiunile de referință ale convertizorului si prin reglarea lățimii pulsurilor de comanda (53), (54), (55), (56) și (57) pentru a limita suma curenților care parcurg motorul la o valoare corespunzătoare curentului nominal al motorului. Pentru a realiza un astfel de sistem de curenți, in cazul unui defect cauzat de întreruperea unei faze, blocul de comanda va grupa vectorii de curent ramași funcționali in doua grupuri de cate doi vectori, (37) și (38), respectiv (39) și (40), in interiorul fiecărei perechi de vectori defazajul (64) fiind de 72 grade, în timp ce cele doua grupuri vor fi defazate între ele cu o valoare <p_k, (65), astfel încât sa existe cuplu util și să evităm încălzirea excesiva a motorului, valoarea acestui defazaj fiind data de formula [10]:

Claims (2)

1. Revendicări

   1. Convertizor pentafazat destinat acționarii motoarelor electrice asincrone pentafazate, caracterizat prin aceea că este constituit din zece comutatoare electronice, (4), (5), (6), (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), comandate de către un bloc de comanda (14) cu microprocesor care permite măsurarea a cinci curenți de fază (25), (26), (27), (28) și (29), a tensiunii continue de alimentare, (30), si a turației motorului, (32) si care generează pulsurile de comanda (15), (16), (17), (18), (19), folosind metoda modularii in lățime a pulsurilor precum si metoda reglării cu orientare după câmpul magnetic al motorului electric asincron pentafazat.
2. 2. Metoda de tratare a cazului întreruperii unei faze, caracterizată prin aceea că implica parcurgerea cronologica a următorilor pași:

   - se monitorizează cei cinci curenți de faza prin intermediul traductoarelor de curent (20), (21), (22), (23), (24);

   - informațiile de curent, (25), (26), (27), (28), (29), sunt transmise către blocul de comanda (14), care le adaptează numeric, (36), (37), (38), (39), (40), pentru a putea fi folosite în procesul de comandă;

   - blocul de comandă (14) supraveghează pentru a stabili dacă unul dintre curenții (36), (37), (38), (39) sau (40) este nul pentru o perioada determinată de timp;

   - în cazul în care unul dintre curenți este nul o perioadă determinată de timp, blocul de comanda (14) semnalează lipsa fazei corespunzătoare și reglează pulsurile de comandă a comutatoarelor, (15), (16), (17), (18), (19), pentru a obține curenții prin fazele sănătoase de la ieșirea convertizorului astfel încât sa fie separate în două grupuri de cate doi curenți, fig. 6c, cu un defazaj în interiorul grupului de 72 grade și un defazaj între cele doua grupuri de 108 grade, pentru a putea produce în continuare cuplu motor util;

   - blocul de comandă (14) reglează lățimea pulsurilor, (15), (16), (17), (18), (19) astfel încât curentul pe fiecare faza sănătoasă a motorului să nu depășească valoarea nominală.