RU2540319C2 - Valve-inductor electric drive with extreme operating condition - Google Patents
Valve-inductor electric drive with extreme operating condition Download PDFInfo
- Publication number
- RU2540319C2 RU2540319C2 RU2013120170/07A RU2013120170A RU2540319C2 RU 2540319 C2 RU2540319 C2 RU 2540319C2 RU 2013120170/07 A RU2013120170/07 A RU 2013120170/07A RU 2013120170 A RU2013120170 A RU 2013120170A RU 2540319 C2 RU2540319 C2 RU 2540319C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- input
- speed
- electric drive
- valve
- Prior art date
Links
Landscapes
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники и силовой промышленной электроники, а именно к управляемым электроприводам на базе индукторных двигателей (имеющим статор, на котором расположены несколько фазных обмоток, образующих полюсы электромагнитной системы двигателя и зубчатый безобмоточный ротор) большой мощности, работающих в широком диапазоне регулирования скорости и момента с высокими значениями кпд. Изобретение может быть использовано в различных отраслях (энергетика, горнодобывающая и нефтеперерабатывающая промышленности, жилищно-коммунальное хозяйство, судостроение и т.д.). Преимущественная область применения - системы электродвижения подводных обитаемых и необитаемых аппаратов, в том числе морских торпед.The invention relates to the field of electrical engineering and power industrial electronics, in particular to controlled electric drives based on induction motors (having a stator on which several phase windings are located that form the poles of the electromagnetic system of the motor and a gearless winding rotor) of high power, operating in a wide range of speed regulation and torque with high efficiency. The invention can be used in various industries (energy, mining and oil refining industries, housing and communal services, shipbuilding, etc.). The primary area of application is the electric propulsion systems of underwater inhabited and uninhabited vehicles, including marine torpedoes.
Известен вентильный электропривод (Патент РФ №2366069 на изобретение ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 24.12.2007, МПК Н02Р 6/00 (2006.01), Н02Р 6/06 (2006.01), Н02Р 6/16 (2006.01), Патентообладатель: ООО "НИИ МЕХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ") (RU)).Known valve actuator (RF Patent No. 2366069 for the invention of a VENTED ELECTRIC ACTUATOR dated 12.24.2007, IPC Н02Р 6/00 (2006.01), Н02Р 6/06 (2006.01), Н02Р 6/16 (2006.01), Patent holder: LLC NII MECHANOTRONIKI-ALFA -NC ") (RU)).
Электропривод содержит электродвигатель, устройство формирования цифрового сигнала скорости, преобразователь «код-ШИМ», коммутатор, устройство формирования направления вращения, датчик положения, преобразователь сигнала обратной связи по положению в код, устройство определения ошибки по положению и устройство определения рассогласования по скорости, устройство выделения модуля и наблюдатель скорости, составленный из двух сумматоров, интегратора, устройства выделения модуля, функционального преобразователя и устройства умножения. Наблюдатель скорости по сигналу вырабатывает сигнал оценки, используемый в электроприводе в качестве обратной связи.The electric drive includes an electric motor, a digital speed signal generating device, a PWM-code converter, a switch, a rotation direction generating device, a position sensor, a position feedback signal to code converter, a position error detection device and a speed error detection device, an isolation device a module and a speed observer, composed of two adders, an integrator, a module isolation device, a functional converter, and a multiplication device. A signal speed observer generates an evaluation signal, which is used as feedback in the drive.
Основными недостатками данного электропривода являются:The main disadvantages of this drive are:
- отсутствие возможности реализации процесса управления для получения максимально допустимых значений момента на валу двигателя электропривода;- the inability to implement the control process to obtain the maximum allowable moment values on the shaft of the electric motor drive;
- относительная сложность реализации обратной связи по скорости.- the relative complexity of implementing speed feedback.
Также известен вентильно-индукторный электропривод (Патент РФ №2225067 на изобретение ВЕНТИЛЬНО-ИНДУКТОРНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД от 21.06.2002, МПК 7 Н02Р 6/06, Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский энергетический институт (Технический университет) (RU)).Also known is a valve-inductor electric drive (RF Patent No. 2225067 for the invention of a VENTILATION-INDUCTOR ELECTRIC DRIVE of 06/21/2002, IPC 7 Н02Р 6/06, Patentee: State Higher Professional Education Institution Moscow Power Engineering Institute (Technical University) (RU)).
Вентильно-индукторный электропривод содержит контур регулирования частоты вращения, силовой преобразователь, к выходу которого подключены фазные обмотки электродвигателя, коммутатор фаз, входы которого подключены к выходам регулятора угла включения и задатчика угла отключения фаз, а выходы соединены с входами коммутации фаз силового преобразователя, установленные на валу электродвигателя датчик частоты вращения и датчик положения ротора, выход второго из которых подключен к третьему входу коммутатора фаз. В электропривод введены блок умножения на постоянный коэффициент и последовательная цепь из пропорционального усилителя с ограничением выходного сигнала, блока перемножения и сумматора, при этом входы пропорционального усилителя с ограничением выходного сигнала и блока умножения на постоянный коэффициент соединены с выходом регулятора частоты вращения, ко второму входу сумматора подключен выход блока умножения на постоянный коэффициент, второй вход блока перемножения соединен с выходом датчика частоты вращения, а выход сумматора подключен к входу управления напряжением силового преобразователя.The valve-inductor electric drive contains a speed control loop, a power converter, to the output of which the phase windings of the electric motor are connected, a phase switch, the inputs of which are connected to the outputs of the angle switch and the phase angle adjuster, and the outputs are connected to the phase switching inputs of the power converter the motor shaft rotational speed sensor and rotor position sensor, the output of the second of which is connected to the third input of the phase switch. A constant coefficient multiplication unit and a serial circuit from a proportional amplifier with output signal limitation, a multiplication unit and an adder are introduced into the electric drive, while the inputs of a proportional amplifier with an output signal limitation and a constant coefficient multiplication unit are connected to the output of the speed controller, to the second input of the adder the output of the multiplication unit by a constant coefficient is connected, the second input of the multiplication unit is connected to the output of the speed sensor, and the output of the adder Connected to the voltage control input of the power converter.
Основным недостатком вентильно-индукторного электропривода является необходимость ручного задания угла отключения фаз и постоянного угла включения у регулятора угла включения для коммутатора фаз силового преобразователя, что не позволяет электроприводу оперативно регулировать значение момента на валу двигателя.The main disadvantage of the valve-inductor electric drive is the need to manually set the phase angle and constant angle of inclusion at the angle switch for the phase converter of the power converter, which does not allow the drive to quickly adjust the torque value on the motor shaft.
Известен вентильный электропривод (Патент РФ №59905 на полезную модель ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД СО СВОЙСТВОМ ЖИВУЧЕСТИ от 08.08.2006, МПК Н02К 29/06 (2006.01), Н02Р 6/00 (2006.01), Патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)), содержащий трехфазный синхронный двигатель (выполненный в виде m-фазной синхронной машины, где m≥3), на валу которого установлен датчик положения ротора, три преобразовательных ячейки трехфазного преобразователя частоты, подключенные к источнику питания через соответствующие датчики состояния фаз, при этом преобразовательные ячейки соединены с обмотками синхронного электродвигателя через датчики тока, которые подключены к датчикам состояния фаз, задатчик частоты вращения, микроконтроллер, к которому подключены m датчиков состояния фаз, m преобразовательных ячеек m-фазного преобразователя частоты, m датчиков тока, датчик положения и задатчик частоты вращения.Known valve actuator (RF Patent No. 59905 for utility model VALVE ELECTRIC ACTUATOR WITH THE LIVING PROPERTIES of 08.08.2006, IPC Н02К 29/06 (2006.01), Н02Р 6/00 (2006.01), Patent holder: State Educational Institution of Higher Professional Education Tomsk Polytechnic University RU)), containing a three-phase synchronous motor (made in the form of an m-phase synchronous machine, where m≥3), on the shaft of which a rotor position sensor is installed, three converter cells of a three-phase frequency converter connected to the source the power supply through the corresponding phase state sensors, while the converter cells are connected to the windings of the synchronous electric motor through current sensors that are connected to the phase state sensors, a speed controller, a microcontroller to which m phase sensors are connected, m converter cells of the m-phase frequency converter , m current sensors, position sensor and speed controller.
Основными недостатками данного технического решения являЮтся:The main disadvantages of this technical solution are:
- относительная сложность электропривода, использующего большое число датчиков;- the relative complexity of the electric drive using a large number of sensors;
- отсутствие обратной связи по скорости и, как следствие, возможности стабилизации скорости вращения ротора двигателя.- lack of feedback on speed and, as a consequence, the possibility of stabilizing the speed of rotation of the rotor of the engine.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является схема питания вентильного индукторно-реактивного двигателя (см. фиг.2 и раздел «Раскрытие сущности изобретения» в описании изобретения по Патенту РФ №2352048 ВЕНТИЛЬНЫЙ ИНДУКТОРНО-РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ от 08.08.2007, МПК Н02К 19/06 (2006.01), Н02К 19/10 (2006.01), Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "ИРИС" (RU)).The closest in technical essence to the claimed solution is the power circuit of a valve induction-jet engine (see figure 2 and the section "Disclosure of the invention" in the description of the invention according to the Patent of the Russian Federation No. 2352048 FAN INDUCTIVE-REACTIVE ENGINE from 08.08.2007, IPC Н02К 19 / 06 (2006.01), Н02К 19/10 (2006.01), Patent holder: Closed Joint-Stock Company IRIS (RU)).
Питание обмоток вентильного индукторно-реактивного двигателя (содержащего безобмоточный ротор с зубцами, а зубцы статора охвачены катушками и размещены так, что образуется m-фазная магнитная система) по прототипу осуществляется с помощью типового m-фазного мостового инвертора напряжения, который включает: микропроцессорную систему управления 4, датчик положения ротора 5, выпрямитель 6, конденсаторный фильтр 7-8, трехфазный мостовой инвертор 9. Выходы инвертора 9 через диоды подключены к двум трехфазным обмоткам ВИРД 10, соединенным в «звезду» с нейтралью. Причем первая трехфазная обмотка А-В-С соединена с выходами инвертора 9 через диоды, включенные в прямом направлении, а вторая трехфазная обмотка А′-В′-С′ - через диоды, включенные в обратном направлении.The windings of a valve induction-jet engine (containing a windingless rotor with teeth, and the stator teeth are covered by coils and placed so that an m-phase magnetic system is formed) are powered by the prototype using a typical m-phase bridge voltage inverter, which includes: a microprocessor control system 4, rotor position sensor 5, rectifier 6, capacitor filter 7-8, three-phase bridge inverter 9. The outputs of the inverter 9 through diodes are connected to two three-phase windings of the VIRD 10 connected in "stars" "With neutral. Moreover, the first three-phase winding A-B-C is connected to the outputs of the inverter 9 through diodes included in the forward direction, and the second three-phase winding A′-B′-C ′ is connected through diodes included in the reverse direction.
Недостатками данной схемы питания обмоток вентильного индукторно-реактивного двигателя, которую можно также именовать вентильным индукторно-реактивным электроприводом, являЮтся:The disadvantages of this power supply circuit of the windings of a valve induction-jet engine, which can also be called a valve induction-reactive electric drive, are:
- отсутствие возможности реализации процесса управления вентильным индукторно-реактивным двигателем для получения максимально допустимых значений момента на валу и скорости вращения ротора двигателя электропривода;- the lack of the possibility of implementing the control process of a valve induction-jet engine to obtain the maximum allowable values of the torque on the shaft and the rotational speed of the rotor of the electric motor;
- отсутствие возможности как местного, так и дистанционного задания скорости вращения двигателя;- the lack of the possibility of both local and remote setting of the engine speed;
- отсутствие возможности ограничения значений переходных перенапряжений, а также облегчения теплового режима при включениях-отключениях силовых ключей (транзисторов или тиристоров) инвертора напряжения.- the inability to limit the values of transient overvoltages, as well as facilitating the thermal regime when switching on / off power switches (transistors or thyristors) of the voltage inverter.
Целью изобретения является обеспечение максимально допустимой скорости вращения двигателя в экстремальном режиме работы, когда главные параметры электропривода в течение кратковременного периода времени значительно превышают номинальные значения.The aim of the invention is to provide the maximum permissible engine speed in extreme operation, when the main parameters of the electric drive for a short period of time significantly exceed the nominal values.
Поставленная цель достигается тем, что в вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы, состоящий из микропроцессорной системы управления, конденсаторного фильтра, подключенного через инвертор к входу индукторного двигателя, выход которого соединен с входом датчика положения ротора, введены внешняя система управления, шина информационного обмена, местная панель управления, адаптер шины информационного обмена, блок базы данных, блок сравнения значений скорости, блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления, блок драйверов силовых ключей, блок определения скорости, сеть напряжения постоянного тока и блок снаббера; выход сети напряжения постоянного тока подключен к входу конденсаторного фильтра, второй силовой выход инвертора подключен к входу блока снаббера; внешняя система управления через шину информационного обмена подключена к адаптеру шины информационного обмена; блок сравнения значений скорости через последовательно соединенные блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления и блок драйверов силовых ключей подключен к управляющему входу инвертора; к первому входу блока сравнения значений скорости подключен первый выход местной панели управления, ко второму входу - первый выход адаптера шины информационного обмена, к третьему - выход блока определения скорости; к первому входу блока базы данных подключен второй выход а шины информационного обмена, ко второму входу - второй выход местной панели управления, выход блока базы данных подключен к первому входу блока определения углов коммутации; выход датчика положения ротора одновременно соединен с входом блока определения скорости и третьим входом блока определения углов коммутации.This goal is achieved by the fact that in the valve-inductor electric drive with extreme operating mode, consisting of a microprocessor control system, a capacitor filter connected through an inverter to the input of the induction motor, the output of which is connected to the input of the rotor position sensor, an external control system, an information exchange bus are introduced , local control panel, data bus adapter, database unit, speed comparison unit, proportional-integral speed controller unit spacers, commutation angle determination unit, control unit, power key driver unit, speed determination unit, DC voltage network and snubber unit; the output of the DC voltage network is connected to the input of the capacitor filter, the second power output of the inverter is connected to the input of the snubber block; an external control system is connected via the information exchange bus to the adapter of the information exchange bus; a unit for comparing speed values through a series-connected unit of a proportional-integral speed controller, a unit for determining commutation angles, a control unit and a power key driver unit is connected to an inverter control input; the first output of the local control panel is connected to the first input of the speed value comparison unit, the first output of the data bus adapter is connected to the second input, and the speed determination unit output is the third; the second output of the data exchange bus is connected to the first input of the database unit, the second output of the local control panel is connected to the second input, the output of the database unit is connected to the first input of the switching angle determination unit; the output of the rotor position sensor is simultaneously connected to the input of the speed determination unit and the third input of the switching angle determination unit.
Причем местная панель управления, адаптер шины информационного обмена, блок базы данных, блок сравнения значений скорости, блок пропорционально-интегрального регулятора скорости, блок определения углов коммутации, блок управления, блок драйверов силовых ключей и блок определения скорости входят в состав микропроцессорной системы управления, а блок базы данных микропроцессорной системы управления выполнен с возможностью использования первого и второго пакетов постоянных данных для управления электроприводом, подобранных расчетными методами, уточненных экспериментальным путем и обеспечивающих соответственно экстремальный и номинальный режимы работы вентильно-индукторного электропривода.Moreover, the local control panel, the bus adapter, the database unit, the unit for comparing speed values, the unit for proportional-integral speed controller, the unit for determining the switching angles, the unit for control, the driver unit for power keys and the unit for determining speed are part of the microprocessor control system, and the database unit of the microprocessor control system is configured to use the first and second constant data packets to control the electric drive, selected design methods specified experimentally and providing respectively the extreme and nominal operating modes of the valve-inductor electric drive.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом вентильно-индукторном электроприводе для обеспечения экстремального режима, когда главные его параметры (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) могут кратковременно значительно превышать номинальные значения, предусмотрена возможность использования специально подобранного пакета управляющих данных, записанных в блоке базы данных микропроцессорной системы управления, а для повышения нагрузочной способности инвертора применен блок снаббера.The essence of the invention lies in the fact that in the proposed valve-inductor electric drive to ensure extreme conditions, when its main parameters (developed power, rotation speed, temperature of power elements, etc.) can significantly exceed nominal values for a short time, it is possible to use a specially selected package of control data recorded in the database block of the microprocessor control system, and to increase the load capacity of the inverter, a supply block a.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой представлена функционально-структурная схема вентильно-индукторного электропривода с экстремальным режимом работы.The invention is illustrated in figure 1, which presents a functional structural diagram of a valve-inductor electric drive with an extreme mode of operation.
Согласно фиг.1 вентильно-индукторный электропривод содержит внешнюю систему управления 1, шину информационного обмена 2; микропроцессорную систему управления 3, состоящую из местной панели управления 4, адаптера шины информационного обмена 5, блока базы данных 6, блока сравнения значений скорости 7, блока пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, блока определения углов коммутации 9, блока управления 10, блока драйверов силовых ключей 11 и блока определения скорости 12; сеть напряжения постоянного тока 13, конденсаторный фильтр 14, инвертор 15, блок снаббера 16, индукторный двигатель 17 и датчик положения ротора 18.According to figure 1, the valve-inductor electric drive comprises an external control system 1, a data exchange bus 2; microprocessor control system 3, consisting of a local control panel 4, data bus adapter 5, database unit 6, unit for comparing speed values 7, unit for proportional-integral speed controller 8, unit for determining switching angles 9, control unit 10, power driver unit keys 11 and a speed determination unit 12; DC voltage network 13, a capacitor filter 14, an inverter 15, a snubber block 16, an induction motor 17 and a rotor position sensor 18.
Выход сети напряжения постоянного тока 13 через последовательно соединенные конденсаторный фильтр 14, инвертор 15 и индукторный двигатель 17 подключен к датчику положения ротора 18. Второй силовой выход инвертора 15 подключен к входу блока снаббера 16.The output of the DC voltage network 13 through a series-connected capacitor filter 14, the inverter 15 and the induction motor 17 is connected to the position sensor of the rotor 18. The second power output of the inverter 15 is connected to the input of the snubber block 16.
Внешняя система управления 1 через шину информационного обмена 2 подключена к адаптеру шины информационного обмена 5.External control system 1 through the bus information exchange 2 is connected to the adapter bus information exchange 5.
Блок сравнения значений скорости 7 через последовательно соединенные блок пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, блок определения углов коммутации 9, блок управления 10 и блок драйверов силовых ключей 11 подключен к управляющему входу инвертора 15.The unit for comparing the values of speed 7 through a series-connected unit of the proportional-integral speed controller 8, the unit for determining the switching angles 9, the control unit 10 and the driver unit of the power switches 11 is connected to the control input of the inverter 15.
К первому входу блока сравнения значений скорости 7 подключен первый выход местной панели управления 4, ко второму входу - первый выход адаптера шины информационного обмена 5, к третьему - выход блок определения скорости 12.The first output of the local control panel 4 is connected to the first input of the speed value comparison unit 7, the first output of the data exchange bus adapter 5 is connected to the second input, and the speed determination unit 12 is output to the third.
К первому входу блока базы данных 6 подключен второй выход адаптер шины информационного обмена 5, ко второму входу - второй выход местной панели управления 4, выход блока базы данных 6 подключен к первому входу блока определения углов коммутации 9.The second output of the bus adapter 5 is connected to the first input of the database unit 6, the second output of the local control panel 4 is connected to the second input, the output of the database unit 6 is connected to the first input of the switching angle determination unit 9.
Выход датчика положения ротора 18 одновременно соединен с входом блока определения скорости 12 и третьим входом блока определения углов коммутации 9.The output of the rotor position sensor 18 is simultaneously connected to the input of the speed detection unit 12 and the third input of the switching angle determination unit 9.
В зависимости от объекта применения вентильно-индукторного электропривода в качестве внешней системы управления 1 используются:Depending on the object of application of the valve-inductor electric drive as an external control system 1 are used:
дистанционная система управления (телеуправление по проводам, гидроакустическим каналам связи и т.д.) необитаемых подводных аппаратов, в том числе, морскими торпедами;remote control system (remote control by wire, sonar communication channels, etc.) of uninhabited underwater vehicles, including marine torpedoes;
система управления, используемая оператором для управления обитаемым подводным аппаратом в целом.control system used by the operator to control the habitable underwater vehicle as a whole.
Шина информационного обмена 2 может быть, в зависимости от условий эксплуатации, выполнена на базе одного из интерфейсов: RS-485, CAN 2.0, MIL-STD1553B и Ethernet.The data exchange bus 2 can be, depending on operating conditions, made on the basis of one of the interfaces: RS-485, CAN 2.0, MIL-STD1553B and Ethernet.
Местная панель управления 4 представляет собой комплект органов управления (кнопки, тумблеры и т.д.) и средств отображения информации (индикаторы, табло и т.д.), предназначенный для задания режима работы и скорости вращения двигателя вентильно-индукторного электропривода, установленного в необитаемом подводном аппарате, перед началом его использования по прямому назначению.Local control panel 4 is a set of controls (buttons, toggle switches, etc.) and information display tools (indicators, displays, etc.), designed to set the operating mode and speed of rotation of the motor of the valve-induction electric drive installed in uninhabited underwater vehicle, before it is used for its intended purpose.
Адаптер шины информационного обмена 5 может быть реализован как с помощью отдельной специализированной интегральной микросхемы (например, для обеспечения информационного по интерфейсу RS-485 используется контроллер ADM3074EYRZ фирмы «Analog Devices»), так и входить в состав блока гальванически развязанных интерфейсов микроконтроллера, на базе которого скомпонована микропроцессорная система управления 3 в целом.The information exchange bus adapter 5 can be implemented either using a separate specialized integrated circuit (for example, an ADM3074EYRZ controller by Analog Devices is used to provide information on the RS-485 interface) or it can be a part of a block of galvanically isolated microcontroller interfaces, on the basis of which arranged microprocessor control system 3 as a whole.
Блоки базы данных 6, сравнения значений скорости 7, пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, определения углов коммутации 9, управления 10 и определения скорости 12 являются программно-аппаратными средствами, то есть представляют собой микропрограммы, исполняемые в аппаратной среде высокопроизводительного микропроцессора, например микроконтроллера TMS320LF2406A фирмы «Texas Instruments».The blocks of the database 6, comparing the values of speed 7, the proportional-integral speed controller 8, determining the switching angles 9, controlling 10 and determining the speed 12 are software and hardware, that is, they are microprograms executed in the hardware environment of a high-performance microprocessor, for example, the TMS320LF2406A microcontroller Texas Instruments.
Блок драйверов силовых ключей 11 представляет собой комплект специализированных интегральных микросхем, например IRS2153S фирмы ((International Rectifier», предназначенный для управления IGBT-ключами (транзисторами) инвертора 15.The block of drivers of the power switches 11 is a set of specialized integrated circuits, for example, IRS2153S company ((International Rectifier ", designed to control IGBT-keys (transistors) of the inverter 15.
Сеть напряжения постоянного тока 13 для необитаемых и обитаемых подводных аппаратов, как правило, реализована на базе аккумуляторных батарей высокой емкости и/или установки с электрохимическим генератором.The DC voltage network 13 for uninhabited and inhabited underwater vehicles, as a rule, is implemented on the basis of high-capacity batteries and / or an installation with an electrochemical generator.
Конденсаторный фильтр 14 предназначен для защиты сети напряжения постоянного тока 13 от импульсно-коммутационных перенапряжений, сопровождающих работу инвертора 15, а также для стабилизации значения напряжения (уменьшения падения напряжения) на его входе при больших токах нагрузки инвертора 15 (токов в обмотках статора индукторного двигателя 17).The capacitor filter 14 is designed to protect the DC voltage network 13 from pulse switching surges accompanying the operation of the inverter 15, as well as to stabilize the voltage value (reduce voltage drop) at its input at high load currents of the inverter 15 (currents in the stator windings of the induction motor 17 )
Инвертор 15, предназначенный для питания обмотки статора индукторного двигателя 17, представляет собой управляемый многофазный (в частном случае, трехфазный) преобразователь напряжения постоянного тока в переменное напряжение, реализованный на IGBT-ключах (IGBT-транзисторах).The inverter 15, designed to power the stator winding of the induction motor 17, is a controlled multiphase (in particular, three-phase) DC-to-AC voltage converter implemented on IGBT keys (IGBT transistors).
Блок снаббера 16 представляет собой, как правило, комплект R-C цепочек (иногда дополняемый диодом), подключаемых параллельно IGBT-ключам инвертора 15 (к эмиттеру и коллектору IGBT-транзисторов). Цепочки снаббера, номиналы компонентов которых подбираются расчетно-экспериментальным методом, предназначены для ограничения переходных перенапряжений при включениях-отключениях IGBT-ключей, а также облегчения теплового режима при закрывании IGBT-ключа, за счет отбора на себя части динамических потерь, что позволяет значительно повысить надежность инвертора 15 в целом при работе на предельно допустимую нагрузку.The snubber block 16 is, as a rule, a set of R-C circuits (sometimes supplemented by a diode) connected in parallel to the IGBT keys of the inverter 15 (to the emitter and collector of IGBT transistors). Snubber chains, the component values of which are selected by the calculation-experimental method, are designed to limit transient overvoltages when turning on / off IGBT keys, as well as to facilitate the thermal regime when closing the IGBT key, by taking on a portion of the dynamic losses, which can significantly increase reliability inverter 15 as a whole when operating at maximum permissible load.
Индукторный двигатель 17 представляет собой электромеханический преобразователь энергии с многофазной (в частном случае, трехфазной) обмоткой статора, образующей «m» полюсов электромагнитной системы двигателя, и безобмоточного ротора с «m» магнитными зубцами.The inductor motor 17 is an electromechanical energy converter with a multiphase (in particular, three-phase) stator winding, forming "m" poles of the electromagnetic system of the motor, and a windingless rotor with "m" magnetic teeth.
В качестве датчика положения ротора 18 используется фотоэлектрический датчик, предназначенный для замыкания обратной связи по положению ротора двигателя.As the position sensor of the rotor 18, a photoelectric sensor is used, designed to close the feedback on the position of the rotor of the motor.
Предлагаемый электропривод работает следующим образом.The proposed drive operates as follows.
Перед началом использования по прямому назначению объекта, на котором установлен рассматриваемый вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы, включается в работу сеть напряжения постоянного тока 13, питающее напряжение которой через конденсаторный фильтр 14 поступает на вход инвертора 15, а также на источник питания (входящий в состав микропроцессорной системы управления 3, но с целью упрощения, на фиг.1 не показан), обеспечивающий электропитание стабилизированным низковольтным напряжением постоянного тока (например, напряжением 15 В) ее аппаратных средств (местная панель управления 4, адаптер шины информационного обмена 5, блок базы данных 6, блок сравнения значений скорости 7 и т.д.). После поступления питания на местной панели управления 4 загорается индикатор «Питание включено», далее с помощью органов управления формируются команда управления «Режим работы» и сигнал управления «Значение скорости». В зависимости от типа объекта и решаемых им задач команда «Режим работы» позволят установить для электропривода один из двух режимов: «Экстремальный» или «Номинальный», а сигнал управления «Значение скорости» позволяет задать требуемую скорость вращения индукторного двигателя 17 (от минимальной до предельно допустимой максимальной скорости, например до 2700 об/мин). В «Экстремальном» режиме главные параметры электропривода (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) значительно превышают номинальные значения, вследствие чего может быть обеспечен только весьма ограниченный период времени функционирования, после истечения которого с большой вероятностью произойдет необратимое разрушение основных силовых элементов электропривода (например, пробой изоляции и перегорание обмоток статора индукторного двигателя 17, расплав кристаллов IGBT-транзисторов инвертора 15 и т.д.). Во втором режиме главные параметры не выходят за рамки номинальных значений, при которых гарантируется надежная работа электропривода в течение достаточно длительного времени, например значительной части (или всего) срока службы.Before starting the intended use of the object on which the valve-inductor motor under consideration is installed with an extreme operating mode, the DC voltage network 13 is turned on, the supply voltage of which is supplied through the capacitor filter 14 to the input of the inverter 15, as well as to the power source (incoming the composition of the microprocessor control system 3, but for the sake of simplification, is not shown in FIG. 1), providing power supply with a stabilized low-voltage direct current voltage (for example er, voltage 15 V) of its hardware (local control panel 4, data bus adapter 5, database unit 6, unit for comparing speed values 7, etc.). After the power is received, the “Power is on” indicator on the local control panel 4 lights up, then the control command “Operation mode” and the control signal “Speed value” are formed using the controls. Depending on the type of object and the tasks it solves, the “Operation Mode” command will allow you to set one of two modes for the electric drive: “Extreme” or “Nominal”, and the control signal “Speed Value” allows you to set the required speed of rotation of the induction motor 17 (from minimum to maximum permissible maximum speed, for example up to 2700 rpm). In the "Extreme" mode, the main parameters of the electric drive (developed power, rotation speed, temperature of the power elements, etc.) are significantly higher than the nominal values, as a result of which only a very limited period of operation can be ensured, after which it is likely that irreversible destruction will occur the main power elements of the electric drive (for example, breakdown of insulation and burnout of the stator windings of the induction motor 17, melt crystals of IGBT transistors of the inverter 15 and .d.). In the second mode, the main parameters do not go beyond the nominal values at which reliable operation of the electric drive is guaranteed for a sufficiently long time, for example, a significant part (or all) of the service life.
Рассмотрим работу предлагаемого вентильно-индукторного электропривода в составе системы электродвижения необитаемого подводного аппарата после задании «Экстремального» режима работы и предельно допустимой максимальной скорости вращения ротора индукторного двигателя 17. Команда управления «Режим работы», поступившая с местной панели управления 4 на второй вход блока базы данных 6, инициирует работу электропривода в экстремальном режиме. При этом в блоке базы данных 6 микропроцессорной системы управления 3 активируется первый пакет постоянных данных (в которых содержатся предельные значения параметров двигателя, функциональные зависимости временных параметров управления от скорости вращения и алгоритмы разгона, стабилизации скорости вращения и т.д.), специально подобранных расчетным путем с использованием методов математического моделирования (и уточненных для реального типоразмера опытного образца индукторного двигателя экспериментальным путем) для гарантированного обеспечения функционирования электропривода только в течение ограниченного периода времени. Одновременно с этим сигнал управления «Значение скорости» через блок сравнения значений скорости 7 поступает на второй вход блока пропорционально-интегрального регулятора скорости 8, который формирует соответствующие управляющие воздействия для блока определения углов коммутации 9. Блок определения углов коммутации 9 обрабатывает эти управляющие воздействия (то есть определяет моменты подачи импульсов, ширину и значение пауз управляющих импульсов и т.д.) и формирует сигналы управления, поступающие через блок управления 10 на вход блока драйверов силовых ключей 11, который, в свою очередь, усиливает и транслирует эти управляющие воздействия на управляющий вход инвертора 15. Инвертор 15 производит преобразование входного напряжения сети напряжения постоянного тока 13 в регулируемое (в требуемом диапазоне значений) напряжение переменного тока. При поступлении питающих напряжений переменного тока от инвертора 15 в многофазную обмотку, образующую m магнитных полюсов статора индукторного двигателя 17, создается вращающее электромагнитное поле, которое взаимодействуя с «m» магнитными зубцами диска ротора, увлекает их за собой, создавая вращающий момент и «раскручивая» ротор и внешний вал индукторного двигателя 17. При этом от датчика положения ротора 18 начинают поступать сигналы обратной связи по положению ротора индукторного двигателя 17 в блок определения углов коммутации 9, позволяющие этому блоку оперативно корректировать моменты подачи импульсов, ширину и значение пауз управляющих импульсов и т.д. для управления инвертором 15, производя в соответствии с записанным в блоке базы данных 6 алгоритмом разгон индукторного двигателя 17. Кроме этого, сигналы обратной связи по положению ротора от датчика положения ротора 18 начинают поступать через блок определения скорости 12 на третий вход блока сравнения значений скорости 7, замыкая обратную связь электропривода по скорости и обеспечивая, в конечном итоге, формирование управляющих воздействий (момент подачи импульса, ширина управляющего импульса, значение паузы и т.д.) блоком определения углов коммутации 9 микропроцессорной системы управления 3 с учетом не только сигналов обратной связи по положению, но и сигналов обратной связи по скорости вращения ротора индукторного двигателя 17. А после разгона двигателя 17 до заданной скорости микропроцессорная система управления 3 с помощью данной обратной связи обеспечивает стабилизацию скорости вращения ротора.Consider the operation of the proposed valve-inductor electric drive as part of the uninhabited underwater vehicle electric movement system after setting the “Extreme” mode of operation and the maximum permissible maximum rotation speed of the inductor motor rotor 17. The “Operation Mode” control command received from local control panel 4 at the second input of the base unit 6, initiates the operation of the drive in extreme mode. At the same time, in the database block 6 of the microprocessor control system 3, the first constant data packet is activated (which contains the limiting values of the engine parameters, the functional dependences of the timing control parameters on the rotation speed and the acceleration algorithms, stabilization of the rotation speed, etc.) specially selected by the calculation by using mathematical modeling methods (and those specified for the actual size of the experimental prototype of the induction motor by experiment) for guaranteed of the operation of the actuator for only a limited period of time. At the same time, the speed value control signal through the speed value comparison unit 7 is fed to the second input of the proportional-integral speed controller 8, which generates the corresponding control actions for the switching angle determination unit 9. The switching angle determination unit 9 processes these control actions (then is determines the moment of supply of pulses, the width and value of the pauses of the control pulses, etc.) and generates control signals received through the control unit 10 to the input of the unit drivers of power switches 11, which, in turn, amplifies and translates these control actions to the control input of the inverter 15. The inverter 15 converts the input voltage of the DC voltage network 13 into an adjustable (in the required range of values) AC voltage. When the supply voltage of the alternating current from the inverter 15 to the multiphase winding, forming m magnetic poles of the stator of the induction motor 17, creates a rotating electromagnetic field, which interacts with the "m" magnetic teeth of the rotor disk, carries them along, creating torque and "untwisting" the rotor and the outer shaft of the induction motor 17. In this case, feedback signals on the position of the rotor of the induction motor 17 begin to come from the position sensor of the rotor 18 to the block for determining the switching angles 9, This unit can promptly correct the moments of pulse supply, the width and value of the pauses of the control pulses, etc. for controlling the inverter 15, in accordance with the algorithm recorded in the database unit 6, the inductor motor 17 is accelerated. In addition, feedback signals on the position of the rotor from the rotor position sensor 18 begin to flow through the speed determination unit 12 to the third input of the speed value comparison unit 7 closing the feedback of the electric drive in speed and, ultimately, ensuring the formation of control actions (moment of pulse supply, width of the control pulse, pause value, etc.) by the angle detection unit Switching 9 of the microprocessor control system 3, taking into account not only position feedback signals, but also feedback signals of the rotor speed of the inductor motor 17. And after the motor 17 is accelerated to a predetermined speed, the microprocessor control system 3 with the help of this feedback provides speed stabilization rotor rotation.
Ограничение переходных перенапряжений и облегчение теплового режима IGBT-ключей инвертора 15 при предельно напряженном (экстремальном) режиме работы электропривода в процессе разгона и стабилизации скорости вращения индукторного двигателя 17 обеспечивается блоком снаббера 16.The limitation of transient overvoltages and facilitating the thermal regime of the IGBT keys of the inverter 15 at the extremely intense (extreme) mode of operation of the electric drive during acceleration and stabilization of the rotation speed of the inductor motor 17 is provided by the snubber block 16.
В предлагаемом электроприводе при необходимости имеется возможность от внешней системы управления 1 по шине информационного обмена 2 с помощью адаптера информационной шины 5 изменить (заданное первоначально) значение скорости вращения индукторного двигателя (путем подачи соответствующего сигнала на второй вход блока сравнения значений скорости 7), а также переключить режим работы электропривода с «Экстремального» на «Номинальный» (путем подачи соответствующей команды на первый вход блок базы данных 6). В «Номинальном» режиме работы (который помимо внешней системы управления 1 также может быть задан перед началом использования по прямому назначению объекта с помощью местной панели управления 4) в блоке базы данных 6 микропроцессорной системы управления 3 активируется предварительно записанный второй пакет постоянных данных, которые подобраны таким образом, что обеспечивают для электропривода с конкретным типоразмером индукторного двигателя функционирование в течение достаточно длительного периода времени. В остальном, функционирование предлагаемого электропривода в «Номинальном» режиме работы совершенно аналогично режиму «Экстремальный».In the proposed electric drive, if necessary, it is possible from the external control system 1 via the data exchange bus 2 using the information bus adapter 5 to change (initially set) the value of the rotation speed of the induction motor (by supplying the corresponding signal to the second input of the speed value comparison unit 7), and switch the operating mode of the drive from “Extreme” to “Nominal” (by submitting the appropriate command to the first input of the database unit 6). In the “Nominal” operating mode (which, in addition to the external control system 1, can also be set before using the object for its intended purpose using the local control panel 4), a previously recorded second packet of constant data is activated in the database unit 6 of the microprocessor control system 3, which are selected in such a way that they ensure operation for a sufficiently long period of time for an electric drive with a specific size of the induction motor. Otherwise, the operation of the proposed drive in the "Nominal" mode of operation is completely similar to the "Extreme" mode.
К техническим результатам, полученным в предлагаемом изобретении, относятся следующие:The technical results obtained in the invention include the following:
- обеспечение вентильно-индукторным электроприводом (при использовании по прямому назначению объекта, на котором он установлен) экстремального режима, когда главные его параметры (развиваемая мощность, скорость вращения, температура силовых элементов и т.д.) могут кратковременно значительно превышать номинальные значения;- providing the valve-inductor electric drive (when used for the intended purpose of the object on which it is installed) of the extreme mode, when its main parameters (developed power, rotation speed, temperature of power elements, etc.) can significantly exceed nominal values for a short time;
- предоставление возможности работы электропривода в номинальном режиме в течение длительного периода времени;- providing the possibility of operation of the electric drive in nominal mode for a long period of time;
- обеспечение возможности управления режимом работы электропривода и скоростью вращения индукторного двигателя от внешней системы управления.- providing the ability to control the operating mode of the electric drive and the speed of rotation of the induction motor from an external control system.
Промышленная применимость изобретения определяется тем, что предлагаемый электропривод может быть изготовлен в соответствии с приведенным описанием и чертежом на базе известных комплектующих изделий и технологического оборудования.Industrial applicability of the invention is determined by the fact that the proposed drive can be made in accordance with the above description and drawing on the basis of known components and technological equipment.
Предлагаемые технические решения практически реализованы ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ (НПИ)» в опытных образцах вентильно-индукторных электроприводов, предназначенных для использования в составе энергосиловой движительной установки, шифр изделия «Электромодуль - ВИПТ-140/ВИПТ-750».The proposed technical solutions have been practically implemented by MIP Mechatronics LLC SRSTU (NPI) in prototypes of valve-induction electric drives intended for use as part of a power propulsion system, product code Electromodul - VIPT-140 / VIPT-750.
Таким образом, в предлагаемом электроприводе за счет подбора расчетными методами и уточнения экспериментальным путем пакета постоянных данных для управления электроприводом, записанных в блоке базы данных микропроцессорной системы управления, а также применения блока снаббера и только одного датчика положения ротора (без использования многочисленных датчиков напряжения, тока, скорости и температуры), обеспечивается возможность гарантированного функционирования электропривода в экстремальном режиме в течение ограниченного периода времени или в номинальном режиме достаточно длительное время.Thus, in the proposed drive due to the selection by calculation methods and experimental refinement of the package of constant data for controlling the drive recorded in the database block of the microprocessor control system, as well as the use of the snubber block and only one rotor position sensor (without using multiple voltage, current sensors , speed and temperature), it is possible to guarantee the operation of the electric drive in extreme mode for a limited period time or in the nominal mode for quite a long time.
На основании вышеизложенного и по результатам проведенного нами патентно-информационного поиска считаем, что предлагаемый вентильно-индукторный электропривод с экстремальным режимом работы отвечает критериям «Новизна», «Изобретательский уровень» и «Промышленная применимость» и может быть защищен патентом РФ на изобретение.Based on the foregoing and based on the results of our patent information search, we believe that the proposed valve-inductor electric drive with an extreme operating mode meets the criteria of “Novelty”, “Inventive step” and “Industrial applicability” and can be protected by a RF patent for an invention.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013120170/07A RU2540319C2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Valve-inductor electric drive with extreme operating condition |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013120170/07A RU2540319C2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Valve-inductor electric drive with extreme operating condition |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013120170A RU2013120170A (en) | 2014-11-10 |
| RU2540319C2 true RU2540319C2 (en) | 2015-02-10 |
Family
ID=53287223
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013120170/07A RU2540319C2 (en) | 2013-04-30 | 2013-04-30 | Valve-inductor electric drive with extreme operating condition |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2540319C2 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2193055B (en) * | 1985-08-12 | 1990-04-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Brushless motor |
| EP0414129A2 (en) * | 1989-08-16 | 1991-02-27 | Hitachi, Ltd. | Electric rotary machine, method for producing the same and hydro-electric power installation with the machine |
| WO1996037040A1 (en) * | 1995-05-19 | 1996-11-21 | Itt Automotive Electrical Systems, Inc. | Switched reluctance motor with indirect position sensing and magnetic brake |
| RU5315U1 (en) * | 1996-08-28 | 1997-11-16 | Кубанский государственный технологический университет | GRAIN CONSERVATION INSTALLATION |
| RU66129U1 (en) * | 2007-04-24 | 2007-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центртехкомплект" | ELECTRIC DRIVE FOR CONTINUOUS PROCESSES |
| RU2352048C1 (en) * | 2007-08-08 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "ИРИС" | Valve reactive inductor motor |
| RU2368059C2 (en) * | 2007-04-24 | 2009-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центртехкомплект" | Power supply device for diode-induction electric motor |
| US20130093375A1 (en) * | 2011-07-28 | 2013-04-18 | Vestas Wind Systems A/S | Method of position sensorless control of an electrical machine |
-
2013
- 2013-04-30 RU RU2013120170/07A patent/RU2540319C2/en active IP Right Revival
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2193055B (en) * | 1985-08-12 | 1990-04-18 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Brushless motor |
| EP0414129A2 (en) * | 1989-08-16 | 1991-02-27 | Hitachi, Ltd. | Electric rotary machine, method for producing the same and hydro-electric power installation with the machine |
| WO1996037040A1 (en) * | 1995-05-19 | 1996-11-21 | Itt Automotive Electrical Systems, Inc. | Switched reluctance motor with indirect position sensing and magnetic brake |
| RU5315U1 (en) * | 1996-08-28 | 1997-11-16 | Кубанский государственный технологический университет | GRAIN CONSERVATION INSTALLATION |
| RU66129U1 (en) * | 2007-04-24 | 2007-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Центртехкомплект" | ELECTRIC DRIVE FOR CONTINUOUS PROCESSES |
| RU2368059C2 (en) * | 2007-04-24 | 2009-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центртехкомплект" | Power supply device for diode-induction electric motor |
| RU2352048C1 (en) * | 2007-08-08 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "ИРИС" | Valve reactive inductor motor |
| US20130093375A1 (en) * | 2011-07-28 | 2013-04-18 | Vestas Wind Systems A/S | Method of position sensorless control of an electrical machine |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| DE 2856853 b2, 16.10.1980 . * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013120170A (en) | 2014-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3017517B1 (en) | Motor control for stability and power supply protection | |
| JP5862125B2 (en) | Control device for power converter | |
| EP3017537B1 (en) | Quadrant change control in brushless dc motors | |
| JP2014023182A (en) | Inverter | |
| US8410733B2 (en) | Wound field synchronous motor drive | |
| US9616768B2 (en) | Electrical machine control method and apparatus | |
| RU2361356C1 (en) | Method and device for control of asynchronous motor | |
| JP2008092722A (en) | Power storage system | |
| RU2540319C2 (en) | Valve-inductor electric drive with extreme operating condition | |
| JP2019041490A (en) | Inverter controller | |
| JP2010035262A (en) | Inverter power generator | |
| JP2010178596A (en) | Control device of synchronous motor | |
| CA2894726A1 (en) | System for supplying electrical power to a load and corresponding power supply method | |
| JP5531428B2 (en) | Power saving drive apparatus and method for apparatus having the same load pattern | |
| RU2573576C2 (en) | Dc power supply device for self-contained transport vehicle | |
| RU2460204C1 (en) | Autonomous starter-generator power supply system | |
| RU2572023C2 (en) | Electrical power transmission for alternating-current traction vehicle | |
| RU107008U1 (en) | AUTONOMOUS STARTER-GENERATOR POWER SUPPLY SYSTEM | |
| JP2009194993A (en) | Inverter system for vessel | |
| RU137694U1 (en) | DEVICE FOR BRANDLESS OPENING OF CONTACTS OF STATOR WINDING CONTACTORS OF ASYNCHRONOUS MOTOR | |
| FI121293B (en) | Control of a brake function | |
| da Cunha Reis et al. | Analysis of switched reluctance motor efficiency under different speed control strategies | |
| RU2574380C2 (en) | Method for pulse-frequency regulation of alternating current drive with source of variable frequency and device for its implementation | |
| Мерьякубова et al. | OUTPUT VOLTAGE INVERTER IN ELECTRIC DRIVE OF ASYNCHRONOUS MOTOR | |
| Billade et al. | Embedded system for single phase to three phase converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160501 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20190604 |