RU199411U1

RU199411U1 - ELECTRIC ACTUATOR WITH RESERVE

Info

Publication number: RU199411U1
Application number: RU2020116866U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2020-08-31

Abstract

Полезная модель относится к электроприводам и может быть использована в разного рода исполнительных механизмах и транспортных системах, в том числе в системах электродвижения судов.Из уровня техники известны различные варианты электроприводов, в которых реализуются различные дополнительные сервисные функции, в том числе и резервирование на случай отказов элементов силовых цепей. Однако во всех известных из уровня техники вариантах используется трехфазный инверторный мост для преобразования напряжения звена постоянного тока в выходное напряжение регулируемой частоты. В подобных устройствах для получения каждой фазы выходного напряжения используется "полумост" из двух включенных последовательно транзисторов, что снижает вариативность алгоритмов широтно-импульсной модуляции. Но главным недостатком таких схем является реализация резервирования фаз преобразователя частоты для случая обрыва цепи в поврежденном полупроводниковом ключе. Однако из практики известно, что основной неисправностью является замыкание в цепи поврежденного полупроводникового ключа, а не обрыв.В предлагаемом решении поставлена задача защиты от повреждения любой из фаз преобразователя частоты, входящего в состав электропривода, даже при повреждении полупроводникового ключа типа замыкания в цепи. Для этого предлагается реализовать раздельное преобразование частоты с независимым звеном постоянного тока на питание каждой из фаз и общей нейтралью фаз преобразователя частоты. При аварии фазы шунтируется ее выход выключателем, одновременно отключается питающий трансформатор на входе звена постоянного тока, а фаза статора подключается к нейтрали фаз преобразователя частоты.Техническим результатом предлагаемого решения является реализация защиты от замыканий в полупроводниковых ключах при сохранении общей работоспособности работы электропривода и обеспечении штатного режима работы электродвигателя.The utility model relates to electric drives and can be used in all kinds of actuators and transport systems, including electric propulsion systems for ships. The prior art knows various options for electric drives, which implement various additional service functions, including redundancy in case of failures elements of power circuits. However, all prior art uses a three-phase inverter bridge to convert the DC link voltage to a variable frequency output voltage. In such devices, to obtain each phase of the output voltage, a "half-bridge" of two transistors connected in series is used, which reduces the variability of the pulse-width modulation algorithms. But the main disadvantage of such circuits is the implementation of redundancy of the phases of the frequency converter in the case of an open circuit in a damaged semiconductor key. However, it is known from practice that the main fault is a short circuit in the damaged semiconductor key circuit, not an open circuit. The proposed solution aims to protect against damage to any of the phases of the frequency converter included in the electric drive, even if the semiconductor key is damaged, such as a short circuit in the circuit. For this, it is proposed to implement a separate frequency conversion with an independent DC link to power each of the phases and a common neutral of the phases of the frequency converter. In case of a phase failure, its output is shunted by a switch, at the same time the supply transformer at the DC link input is turned off, and the stator phase is connected to the neutral of the phases of the frequency converter. The technical result of the proposed solution is the implementation of protection against short circuits in semiconductor switches while maintaining the overall operability of the electric drive and ensuring normal operation operation of the electric motor.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к электроприводам и может быть использован в разного рода исполнительных механизмах и транспортных системах.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to electric drives and can be used in various types of actuators and transport systems.

Уровень техники. Известен самонастраивающийся электропривод [патент РФ на изобретение №2522857], содержащий последовательно соединенные первый сумматор, корректирующее устройство, усилитель, электродвигатель с редуктором, на выходном валу которого установлен датчик положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, последовательно соединенные квадратор, первый блок деления, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала, и второй сумматор, последовательно соединенные интегратор, синусный функциональный преобразователь, первый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные второй блок умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора и первым входам третьего, четвертого и пятого сумматоров, третий блок умножения, второй блок деления, блок извлечения квадратного корня, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчика амплитуды и первому входу седьмого сумматора, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен ко входу квадратора, а выход - ко входу интегратора, последовательно соединенные пятый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго сумматора, и третий блок деления, выход которого подключен ко второму входу четвертого блока умножения, а второй вход - к выходу источника постоянного сигнала, ко вторым входам третьего, четвертого и пятого сумматоров и первым входам четвертого, пятого и шестого блоков деления, причем второй вход четвертого блока деления подключен к выходу четвертого сумматора и второму входу второго блока умножения, второй вход пятого блока деления - к выходу пятого сумматора и второму входу третьего блока умножения, второй вход шестого блока деления - к выходу третьего сумматора и второму входу второго блока деления, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходам четвертого и пятого блоков деления. Также в электропривод введены последовательно соединенные релейный элемент, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора и входу релейного элемента, девятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала и второму входу седьмого сумматора, а выход - ко входу квадратора и к первому входу седьмого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу блока извлечения квадратного корня, а выход - ко второму входу пятого блока умножения.State of the art. A self-adjusting electric drive is known [RF patent for invention No. 2522857], containing a series-connected first adder, a correcting device, an amplifier, an electric motor with a gearbox, on the output shaft of which a position sensor is installed, the output of which is connected to the first input of the first adder, a series-connected quadrator, the first block division, the second input of which is connected to the output of the constant signal source, and the second adder connected in series with the integrator, the sine functional converter, the first multiplication unit, the second input of which is connected to the output of the amplitude setter, and the output to the second input of the first adder, the second block connected in series multiplication, the first input of which is connected to the output of the quadrator and the first inputs of the third, fourth and fifth adders, the third multiplication block, the second division block, the square root extraction block, the sixth adder, the second input of which is connected to the output of the amplitude setting and n the first input of the seventh adder, the fourth multiplication unit and the eighth adder, the second input of which is connected to the input of the quadrator, and the output to the input of the integrator, the fifth multiplication unit in series, the first input of which is connected to the output of the second adder, and the third division unit, the output of which is connected to the second input of the fourth multiplication block, and the second input to the output of the constant signal source, to the second inputs of the third, fourth and fifth adders and the first inputs of the fourth, fifth and sixth dividing blocks, and the second input of the fourth dividing block is connected to the output of the fourth adder and the second the input of the second multiplication block, the second input of the fifth division block - to the output of the fifth adder and the second input of the third multiplication block, the second input of the sixth division block - to the output of the third adder and the second input of the second division block, and the output to the second input of the second adder, the third and the fourth inputs of which are connected, respectively, to the outputs of the fourth and fifth division blocks. Also, a series-connected relay element, the sixth multiplication unit, the second input of which is connected to the output of the seventh adder and the input of the relay element, the ninth adder, the second input of which is connected to the output of the constant signal source and the second input of the seventh adder, and the output to the input of the quad and to the first input of the seventh multiplication block, the second input of which is connected to the output of the square root extractor, and the output to the second input of the fifth multiplication block.

К недостатку такого решения можно отнести отсутствие резервных каналов, что снижает надежность функционирования электропривода.The disadvantage of this solution can be attributed to the absence of backup channels, which reduces the reliability of the operation of the electric drive.

Также известен электропривод переменного тока повышенной живучести [патент РФ на изобретение №2540959], содержащий систему управления, электрическую машину переменного тока с выведенным нулевым проводом, три датчика тока, двухзвенный электрический преобразователь частоты, вход которого подключен к источнику электроэнергии переменного тока, а выход через три датчика тока к обмоткам трехфазной электрической машины переменного тока, которые соединены звездой, информационные выходы датчиков тока подключены к входу системы управления электрическим преобразователем, выходы которой подключены к управляющим входам силовых полупроводниковых ключей электрического преобразователя частоты. Причем, электрический преобразователь частоты содержит два транзистора с обратными диодами, причем коллектор первого транзистора подключен к "плюсовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя частоты, а его эмиттер соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого подключен к "минусовой" шине звена постоянного тока электрического преобразователя, а нулевой провод электродвигателя подключен к эмиттеру первого и коллектору второго транзисторов.Also known is an AC electric drive with increased survivability [RF patent for invention No. 2540959], containing a control system, an AC electric machine with a neutral wire, three current sensors, a two-link electric frequency converter, the input of which is connected to an AC power source, and the output through three current sensors to the windings of a three-phase AC electric machine, which are connected by a star, the information outputs of the current sensors are connected to the input of the electrical converter control system, the outputs of which are connected to the control inputs of the power semiconductor switches of the electrical frequency converter. Moreover, the electric frequency converter contains two transistors with reverse diodes, and the collector of the first transistor is connected to the "positive" DC bus of the electric frequency converter, and its emitter is connected to the collector of the second transistor, the emitter of which is connected to the negative DC bus of the electric converter, and the neutral wire of the electric motor is connected to the emitter of the first and the collector of the second transistors.

К недостаткам такого решения можно отнести применение полумостов для инвертирования напряжения, что снижает качество напряжения и токов. Кроме того, данное решение требует дополнительной кабельной линии связи с электродвигателем, что увеличивает стоимость решения в электроприводах большой мощности. Кроме того, данное решение защищает только от отказа полупроводниковых модулей инверторного моста типа "обрыв цепи", при том, что наиболее часто в практике встречается отказ полупроводниковых модулей типа "короткое замыкание", что снижает область применения для описанного решения. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к заявляемому решению.The disadvantages of this solution include the use of half-bridges for voltage inversion, which reduces the quality of voltage and currents. In addition, this solution requires an additional cable communication line with the electric motor, which increases the cost of the solution in high-power electric drives. In addition, this solution protects only against failure of semiconductor modules of the inverter bridge of the "open circuit" type, while the most common failure of semiconductor modules of the "short circuit" type occurs, which reduces the scope of the described solution. This solution is the closest prototype in technical essence to the claimed solution.

Раскрытие полезной модели. Из уровня техники широко известны различного рода полупроводниковые преобразователи частоты, в которых для коммутации используются полупроводниковые ключи [1, 2, 5].Disclosure of the utility model. From the prior art, various kinds of semiconductor frequency converters are widely known, in which semiconductor switches are used for switching [1, 2, 5].

Успехи современной полупроводниковой электроники создали такие типы полупроводниковых ключей, как IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором) которые сочетают достоинства различных других типов транзисторов. Обеспечивая высокую скоростью коммутации, такие типы полупроводниковых ключей управляются уровнем напряжения, а не током и имеют широкую область безопасной работы [2]. Самое главное их достоинство - возможность полного управления, при котором транзистор и открывается, и запирается по команде от системы управления.Advances in semiconductor electronics have created types of semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) that combine the advantages of various other types of transistors. Providing a high switching speed, these types of semiconductor switches are controlled by the voltage level, not by the current and have a wide area of safe operation [2]. Their most important advantage is the possibility of complete control, in which the transistor opens and locks on command from the control system.

Также из уровня техники широко известен электропривод, в котором для изменения производительности исполнительных механизмов или систем электродвижения применяются преобразователи частоты, обеспечивающие плавный запуск и изменение скорости вращения электродвигателя [3, 4, 5].Also from the prior art, an electric drive is widely known, in which frequency converters are used to change the performance of actuators or electric propulsion systems, providing a smooth start and changing the rotation speed of an electric motor [3, 4, 5].

В силу более простой и надежной конструкции, в электроприводе применяют электрические машины (двигатели) переменного тока, а системы с двигателями постоянного тока практически полностью вытеснены [1, 3, 4]. Это объясняется отсутствием коллектора и сложного щеточного аппарата на нем у машин переменного тока, а также невозможностью ухода "в разнос" при потере тока возбуждения, что является главным недостатком для машин постоянного рода тока. Самым простым и потому распространенным типом электродвигателя является асинхронный.Due to a simpler and more reliable design, electric machines (motors) of alternating current are used in the electric drive, and systems with direct current motors are almost completely replaced [1, 3, 4]. This is due to the absence of a collector and a complex brush apparatus on it in AC machines, as well as the impossibility of going "to run" when the excitation current is lost, which is the main disadvantage for DC machines. The simplest and therefore common type of electric motor is asynchronous.

Электропривод применяется для самых различных целей, В область его применения входят системы вентиляции промышленных помещений, привод исполнительных механизмов и ленточной подачи материалов, а кроме того, и транспортные системы. В ряде случаев требуется обеспечение безотказности его работы, что является требованием заказчика и зависит от его назначения. Наиболее высокие требования к безотказности электропривода существуют в транспортных системах, и в судовых системах электродвижения [1].The electric drive is used for a wide variety of purposes, its scope includes ventilation systems for industrial premises, the drive of actuators and belt feeding of materials, as well as transport systems. In some cases, it is required to ensure the reliability of its work, which is a customer's requirement and depends on its purpose. The highest requirements for the reliability of an electric drive exist in transport systems and in ship electric propulsion systems [1].

При мощности до 10 МВт в электроприводе применяют единственный электродвигатель, резервирование в котором невозможно, поскольку между всеми фазами и обмотками на общем статоре существует магнитная связь, и в случае замыкания на корпус или между витками будут возникать короткие замыкания и протекать соответствующие токи, не устраняемые отключением поврежденной части обмотки. Однако электродвигатели являются одними из самых надежных элементов электропривода, которым свойственна высокая единичная вероятность безотказной работы. Напротив, в преобразователях частоты применяется большое количество элементов самого разного типа и номиналов, что ведет к снижению надежности всей системы в целом. Для их резервирования в электроприводе используются трехфазные многоканальные преобразователи, в которых резервируется выходное напряжение по три фазы на каждый канал. В основе каждого канала лежит трехфазный мост, который обеспечивает инвертирование постоянного напряжения в выходное трехфазное регулируемой частоты [1, 2].With a power of up to 10 MW, a single electric motor is used in an electric drive, in which redundancy is impossible, since there is a magnetic connection between all phases and windings on a common stator, and in the event of a short circuit to the case or between the turns, short circuits will occur and corresponding currents will flow that cannot be eliminated by shutdown damaged part of the winding. However, electric motors are one of the most reliable elements of an electric drive, which are characterized by a high unit probability of failure-free operation. On the contrary, in frequency converters, a large number of elements of the most different types and ratings are used, which leads to a decrease in the reliability of the entire system as a whole. For their redundancy, three-phase multichannel converters are used in the electric drive, in which the output voltage is reserved for three phases for each channel. Each channel is based on a three-phase bridge, which inverts a constant voltage into an output three-phase adjustable frequency [1, 2].

Трехфазный мост в инверторах напряжения можно представить как комплект "полу-мостов" [2], состоящих из двух полупроводниковых ключей и обеспечивающих коммутацию постоянного напряжения на выход. Главная отличительная особенность трехфазного моста - принципиальное отсутствие отвода нейтрали, а также взаимное влияние алгоритмов преобразования в фазах друг от друга. Это в свою очередь означает, что при отключении одной из фаз по аварии работа остальных становится невозможна. Именно поэтому в мощных электроприводах резервирование осуществляется комплектами по три фазы на канал, работающих на отдельную трехфазную обмотку статора. При аварии канала преобразователя частоты отключается весь комплект трех фаз, а также трехфазный выключатель, связывающий его с обмоткой статора электродвигателя переменного тока. Далее возможна работа на сниженной мощности, не превышающей 50% от номинальной для двухканальных систем и не более 75% для систем с четырьмя трехфазными каналами. Однако рост числа каналов ведет к значительному удорожанию всей системы в целом, и поэтому системы с числом каналов больше двух применяются редко [1].A three-phase bridge in voltage inverters can be represented as a set of "half-bridges" [2], consisting of two semiconductor switches and providing DC voltage switching to the output. The main distinguishing feature of a three-phase bridge is the fundamental absence of a neutral tap, as well as the mutual influence of conversion algorithms in phases from each other. This, in turn, means that when one of the phases is disconnected by an emergency, the operation of the rest becomes impossible. That is why in powerful electric drives, redundancy is carried out in sets of three phases per channel, operating on a separate three-phase stator winding. In the event of an accident in the frequency converter channel, the entire set of three phases is turned off, as well as a three-phase switch connecting it to the stator winding of the AC motor. Further, it is possible to operate at a reduced power, not exceeding 50% of the nominal for two-channel systems and not more than 75% for systems with four three-phase channels. However, an increase in the number of channels leads to a significant increase in the cost of the entire system as a whole, and therefore systems with more than two channels are rarely used [1].

Трехфазные мосты получили применение в промышленных инверторах напряжения с широтно-импульсной модуляцией, которая дала возможность регулировать уровень выходного напряжения при изменении частоты, таким образом обеспечив оптимальный закон управления [3]. Главная особенность их работы упомянута выше - невозможность продолжения работы при отказе в любой из фаз, а также отсутствие нейтрали.Three-phase bridges have been used in industrial voltage inverters with pulse-width modulation, which made it possible to regulate the output voltage level when changing the frequency, thus providing an optimal control law [3]. The main feature of their work is mentioned above - the impossibility of continuing work in case of failure in any of the phases, as well as the absence of neutral.

В заявляемом решении предлагается иной подход к резервированию в отдельных фазах трехфазного преобразователя, что дает ряд преимуществ в сравнении с многоканальными системами с трехфазным резервированием. В таком случае, мощность при аварии в любой из фаз (канале) преобразователя частоты снижается до 2/3 от номинальной, что обеспечивает более высокую мощность электропривода в сравнении с трехфазным резервированием при двух каналах. При общей простоте схемотехники предлагаемого решения, это является существенным преимуществом.The proposed solution proposes a different approach to redundancy in individual phases of a three-phase converter, which provides a number of advantages in comparison with multi-channel systems with three-phase redundancy. In this case, the power in the event of an emergency in any of the phases (channel) of the frequency converter is reduced to 2/3 of the nominal, which provides a higher power of the electric drive in comparison with three-phase redundancy with two channels. With the general simplicity of the circuitry of the proposed solution, this is a significant advantage.

На фигуре 1 принципиальная схема электропривода с трехфазным резервированием при двух каналах преобразователя частоты. Из схемы видно наличие двух каналов преобразования, каждый из которых подключен к питающей электрической сети, причем оба из двух преобразователей частоты являются двухзвенными со звеном постоянного тока, получаемым путем выпрямления напряжения вторичной обмотки согласующего трансформатора и далее инвертируемым трехфазным мостом. Каждый из двух каналов имеет свой трехфазный выключатель, через который осуществляется подключение соответствующей трехфазной обмотки статора электродвигателя [1].Figure 1 shows a schematic diagram of an electric drive with three-phase redundancy with two channels of the frequency converter. The diagram shows the presence of two conversion channels, each of which is connected to the power supply network, and both of the two frequency converters are two-tier with a DC link obtained by rectifying the voltage of the secondary winding of the matching transformer and then by an inverted three-phase bridge. Each of the two channels has its own three-phase switch, through which the corresponding three-phase stator winding of the electric motor is connected [1].

Для реализации такой схемы требуется удвоение количества элементов, при этом мощность работы от одного канала снижается до 50%. Кроме того, наличие двух трехфазных обмоток на статоре требует большего количества кабельных линий связи (6 вместо 3), что также является недостатком.To implement such a scheme, a doubling of the number of elements is required, while the power of operation from one channel is reduced to 50%. In addition, the presence of two three-phase windings on the stator requires a larger number of cable communication lines (6 instead of 3), which is also a disadvantage.

На фигуре 2 принципиальная схема предлагаемого электропривода с пофазным резервированием. Из схемы видно, что каждая фаза на статоре трехфазного электродвигателя питается от собственного преобразователя частоты, который выполняется также со звеном постоянного тока (то есть двухзвенным, с двумя ступенями преобразования электроэнергии). Каждая из фаз/каналов преобразования частоты имеет полупроводниковый коммутатор по схеме "полный мост" на четырех транзисторах, что обеспечивает работу каждого канала независимо от остальных от собственного звена постоянного тока. Достоинством схемы "полного моста" является автономное управление напряжением на выходе, что обеспечивает работу всего электропривода при отказе отдельной фазы/канала преобразования частоты. Преобразователи в таком случае также являются двухзвенными, как и в известном из уровня техники прототипе, и имеют собственное звено постоянного тока. Наличие раздельных выходов позволяет объединить их по схеме звезда для получения трех фаз общего выходного напряжения, которое подается через общий для каналов преобразования частоты трехфазный выключатель. Преобразователи частоты, таким образом, являются однофазными, а нагрузка - трехфазной.Figure 2 is a schematic diagram of the proposed electric drive with phase-by-phase redundancy. It can be seen from the diagram that each phase on the stator of a three-phase electric motor is powered by its own frequency converter, which is also performed with a DC link (that is, two-link, with two stages of electricity conversion). Each of the phases / channels of frequency conversion has a semiconductor switch according to the "full bridge" scheme on four transistors, which ensures the operation of each channel independently of the others from its own DC link. The advantage of the "full bridge" scheme is the autonomous control of the output voltage, which ensures the operation of the entire electric drive in the event of a failure of a single phase / frequency conversion channel. In this case, the converters are also two-link, as in the prior art prototype, and have their own direct current link. The presence of separate outputs allows them to be connected according to the star scheme to obtain three phases of the total output voltage, which is supplied through a three-phase switch common for the frequency conversion channels. The frequency converters are thus single-phase and the load is three-phase.

Для реализации работы в аварийном режиме в предлагаемом решении используются шунтирующие контакты, также показанные на фигуре 2 на выходе каждого из преобразователей частоты со звеном постоянного тока. При аварийной ситуации - в том числе при пробое (коротком замыкании) одного или нескольких транзисторов, система управления дает команду на включение шунтирующего контакта поврежденной фазы, и отключение ее выключателя на входе от питающей сети. Таким образом, собирается схема, в которой вывод фазы статора электродвигателя подключается к цепям выхода преобразователей частоты в их общей точке (нейтрали). Этот режим будет обеспечивать питание всех трех фаз статора электродвигателя, таким образом для связи с преобразователями частоты требуется не более 3 линий кабеля, что является также преимуществом предлагаемого решения.To implement operation in emergency mode, the proposed solution uses shunt contacts, also shown in figure 2 at the output of each of the frequency converters with a DC link. In an emergency - including a breakdown (short circuit) of one or more transistors, the control system gives a command to turn on the shunt contact of the damaged phase, and turn off its switch at the input from the mains. Thus, a circuit is assembled in which the output of the stator phase of the electric motor is connected to the output circuits of the frequency converters at their common point (neutral). This mode will provide power to all three phases of the stator of the electric motor, so no more than 3 cable lines are required for communication with frequency converters, which is also an advantage of the proposed solution.

На фигуре 3 показана упрощенная электрическая схема при питании трехфазной нагрузки, соответствующая нормальному режиму работы без аварии. Из схемы видно, что три преобразователя частоты имеют фазовый сдвиг, равный 120 электрическим градусам и определяемый алгоритмом системы управления электропривода. Как известно их электротехники в этом случае на фазах нагрузки формируется симметричная система напряжений и токов. На фигуре 4 показана упрощенная электрическая схема при аварийной ситуации, когда одна из фаз отключена от нагрузки. Соответствующая фаза нагрузки переключена на нейтраль схемы звезда источников напряжения, а фазовый сдвиг между оставшимися в работе преобразователями частоты равно 60 электрическим градусам, что обеспечивает симметричный режим работы электрической цепи трехфазной нагрузки. На фигуре 5 показана осциллограмма напряжения на фазах нагрузки при режиме на фигуре 4, где видно наличие симметричного трехфазного напряжения на нагрузке. График был получен в программном комплексе Мультисим версии 14.2 и может быть легко повторен в исследовательских целях в этой или другой программе, как это показано на фигуре 4. В предлагаемом решении сдвиг фаз может быть реализован через алгоритм работы системы управления.Figure 3 shows a simplified electrical diagram for a three-phase load, corresponding to normal operation without failure. The diagram shows that the three frequency converters have a phase shift of 120 electrical degrees and is determined by the algorithm of the electric drive control system. As their electrical engineers know, in this case, a symmetrical system of voltages and currents is formed at the load phases. Figure 4 shows a simplified electrical circuit in an emergency when one of the phases is disconnected from the load. The corresponding phase of the load is switched to the neutral of the star circuit of voltage sources, and the phase shift between the remaining frequency converters is 60 electrical degrees, which provides a symmetrical mode of operation of the electrical circuit of the three-phase load. Figure 5 shows an oscillogram of the voltage across the phases of the load in the mode of Figure 4, where the presence of a symmetrical three-phase voltage across the load is seen. The graph was obtained in the Multisim software package version 14.2 and can be easily repeated for research purposes in this or another program, as shown in figure 4. In the proposed solution, the phase shift can be implemented through the algorithm of the control system.

Сама система управления хорошо известна из уровня техники [1, 2, 5], а также различных прототипов. Возможно применение систем управления на дискретных элементах (аналоговых и цифровых), и микропроцессорного типа с программным управлением. Микропроцессорный тип максимально распространен и обладает гибкостью в реализации алгоритмов. Дешевизна современных микроконтроллеров позволяет реализовать простую и дешевую систему при обеспечении минимальной ее стоимости. Отличительная часть формулы заявляемого решения не содержит алгоритмов работы системы управления, поскольку является устройством, а не способом.The control system itself is well known from the prior art [1, 2, 5], as well as from various prototypes. It is possible to use control systems based on discrete elements (analog and digital), and microprocessor type with program control. The microprocessor type is the most common and has flexibility in the implementation of algorithms. The cheapness of modern microcontrollers makes it possible to implement a simple and cheap system while ensuring its minimum cost. The distinctive part of the formula of the proposed solution does not contain algorithms for the operation of the control system, since it is a device, not a method.

Предлагаемое решение может быть реализовано при использовании уже существующих и выпускаемых серийно универсальных промышленных систем управления, обеспечивающих все необходимые для этого функции.The proposed solution can be implemented using existing and mass-produced universal industrial control systems that provide all the necessary functions.

На фигуре 6 показана функциональная схема предлагаемого решения при работе в нормальном режиме, аналогичном показанному на фигуре 3. Из схемы видно, что преобразователи частоты работают от питающей сети независимо друг от друга, шунтирующие контакты отключены. Каждая из фаз статора электрической машины получает питание от соответствующего ей двухзвенного преобразователя частоты со звеном постоянного тока.Figure 6 shows a functional diagram of the proposed solution during normal operation, similar to that shown in figure 3. It can be seen from the diagram that the frequency converters operate from the mains independently of each other, the bypass contacts are disconnected. Each of the phases of the stator of the electric machine receives power from the corresponding two-link frequency converter with a direct current link.

На фигуре 7 показана функциональная схема предлагаемого решения при аварийном режиме, соответствующем показанному на фигуре 4. Видно, что два преобразователи частоты работают от питающей сети независимо друг от друга, а их шунтирующие контакты отключены. Поврежденный преобразователь отключен от питающей сети и зашунтирован контактом. Две фазы статора электрической машины получают питание от соответствующих им двухзвенных преобразователей частоты со звеном постоянного тока, а третья фаза подключена шунтирующим контактом к общей нейтрали фаз двухзвенных преобразователей частоты.Figure 7 shows a functional diagram of the proposed solution in emergency mode, corresponding to that shown in figure 4. It can be seen that the two frequency converters operate from the mains independently of each other, and their bypass contacts are disconnected. The damaged converter is disconnected from the mains and shunted by a contact. Two phases of the stator of an electric machine receive power from the corresponding two-link frequency converters with a direct current link, and the third phase is connected by a shunt contact to the common neutral of the phases of the two-link frequency converters.

Использованные на фигурах 3 и 4 надписи являются допустимыми по Регламенту, п. 9.11 поскольку содержат необходимые слова, обеспечивающие понимание схемы, и не обозначающие ее элементов.The inscriptions used in Figures 3 and 4 are permissible under the Regulations, clause 9.11, since they contain the necessary words that ensure understanding of the circuit and do not designate its elements.

Автор обращает внимание, что описанное в формуле решение является работоспособным и без внесения коррекции фазового угла 60 электрических градусов при аварии одной из фаз. Отличие будет заключатся в некоторой несимметричности напряжений и токов на обмотке статора электрической машины в электроприводе, и соответствующей им вибрации. Только сдвиг в 60 электрических градусов обеспечит полностью симметричный режим, при этом действующее значение на фазах обмотки статора будет ниже, чем в номинальном режиме - при условии отсутствия компенсации скважностью модуляции выходного напряжения двухзвенных преобразователей частоты со звеном постоянного тока. Алгоритмы подобной компенсации выходят за рамки заявляемого решения, которое может быть реализовано без них.The author draws attention to the fact that the solution described in the formula is workable even without correcting the phase angle of 60 electrical degrees in case of an accident in one of the phases. The difference will be in some asymmetry of voltages and currents on the stator winding of an electric machine in an electric drive, and the corresponding vibration. Only a shift of 60 electrical degrees will provide a completely symmetrical mode, while the effective value on the phases of the stator winding will be lower than in the nominal mode - provided that there is no compensation with the duty cycle of the modulation of the output voltage of two-link frequency converters with a DC link. Algorithms for such compensation are beyond the scope of the proposed solution, which can be implemented without them.

Заявленное решение является простым и промышленно применимым, обеспечивая резервирование электропривода при аварийных ситуациях.The claimed solution is simple and industrially applicable, providing redundancy of the electric drive in emergency situations.

Предлагаемое техническое решение является новым, и имеет следующие принципиальные отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, and has the following fundamental differences from the prototype:

- двухзвенные электрические преобразователи частоты со звеном постоянного тока выполняются с однофазным выходом;- two-link electric frequency converters with a direct current link are made with a single-phase output;

- выходы двухзвенных электрических преобразователей частоты со звеном постоянного тока имеют шунтирующий контакт;- the outputs of two-link electric frequency converters with a direct current link have a shunt contact;

- выходы двухзвенных электрических преобразователей частоты со звеном постоянного тока объединяются по схеме "звезда" с общей для трех фаз нейтралью;- the outputs of two-link electric frequency converters with a direct current link are combined according to the "star" scheme with a common neutral for three phases;

- выходы двухзвенных электрических преобразователей частоты со звеном постоянного тока подключены к обмотке двигателя переменного тока через трехфазный выключатель.- the outputs of two-link electric frequency converters with a direct current link are connected to the winding of an alternating current motor through a three-phase switch.

Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели ранее неизвестна и приводит к новому техническому результату - резервированию работы электропривода на случай аварии в любой из фаз, в том числе отказа полупроводниковых ключей типа "короткое замыкание".Thus, the set of essential features of the utility model was previously unknown and leads to a new technical result - redundant operation of the electric drive in case of an accident in any of the phases, including failure of semiconductor switches of the "short circuit" type.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена принципиальная схема электропривода с трехфазным резервированием. Здесь 1 - питающая сеть, 2 - двухзвенный электрический преобразователь частоты со звеном постоянного тока, 3 - электрическая машина переменного тока, 5 - трехфазный выключатель. На фигуре 2 изображена принципиальная схема электропривода с пофазным резервированием. Здесь 1 - питающая сеть, 2 - двухзвенный электрический преобразователь частоты со звеном постоянного тока, 3 - электрическая машина переменного тока, 4 - шунтирующий контакт, 5 - трехфазный выключатель. На фигуре 3 изображена электрическая эквивалентная схема при работе электропривода с пофазным резервированием в нормальном режиме. На фигуре 4 изображена электрическая эквивалентная схема при работе электропривода с пофазным резервированием при аварии одной из фаз. На фигуре 5 изображена осциллограмма напряжений на статоре электродвигателя при аварии одной из фаз в электроприводе с пофазным резервированием. На фигуре 6 изображена функциональная схема электропривода с пофазным резервированием в нормальном режиме работы. На фигуре 7 изображена функциональная схема электропривода с пофазным резервированием при аварии одной из фаз.Brief description of the drawings. Figure 1 shows a schematic diagram of an electric drive with three-phase redundancy. Here 1 is the supply network, 2 is a two-link electric frequency converter with a direct current link, 3 is an alternating current electric machine, 5 is a three-phase switch. Figure 2 shows a schematic diagram of an electric drive with phase-by-phase redundancy. Here 1 is the supply network, 2 is a two-link electric frequency converter with a direct current link, 3 is an AC electric machine, 4 is a bypass contact, 5 is a three-phase switch. Figure 3 shows the electrical equivalent circuit when the drive with phase-by-phase redundancy is in normal operation. Figure 4 shows an electrical equivalent circuit when an electric drive is operating with phase-by-phase redundancy in the event of an emergency in one of the phases. Figure 5 shows an oscillogram of voltages on the stator of an electric motor in the event of a failure of one of the phases in an electric drive with phase-by-phase redundancy. Figure 6 shows a functional diagram of an electric drive with phase-by-phase redundancy in normal operation. Figure 7 shows a functional diagram of an electric drive with phase-by-phase redundancy in the event of a failure of one of the phases.

Список использованной литературы.List of used literature.

1. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи. - Архангельск: САФУ, 2015.1. Dmitriev B.F., Ryabenkiy V.M., Cherevko A.I., Music M.M. Marine semiconductor converters. - Arkhangelsk: NArFU, 2015.

2. Зиновьев Г.С. Силовая электроника. - М.: ЮРАЙТ, 2012.2. Zinoviev G.S. Power electronics. - M .: YURAYT, 2012.

3. Онищенко Г.Б. Теория электропривода. - М.: ИНФРА-М, 2015.3. Onishchenko G.B. Electric drive theory. - M .: INFRA-M, 2015.

4. Новиков Г.В. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016.4. Novikov G.V. Frequency control of asynchronous motors. - M .: MSTU im. N.E. Bauman, 2016.

5. Овчинников И.Е. Электромеханические и мехатронные системы. Часть 1. - СПб.: КОРОНА. ВЕК, 2012.5. Ovchinnikov I.E. Electromechanical and mechatronic systems. Part 1. - SPb .: KORONA. CENTURY, 2012.

Claims

An AC drive containing a control system, an AC electric machine, three two-link electrical frequency converters with a DC link, the input of each of them through a switch is connected to an AC power source, characterized in that two-link electrical frequency converters with a DC link are made with single-phase output, and the outputs have a bypass contact each, and are connected according to the "star" scheme with a common neutral for three phases and connected to the winding of an AC electric machine through a three-phase switch.