Способ пуска электродвигателя с регулируемой частотой вращения

Данное изобретение касается способа пуска электродвигателя с регулируемой частотой вращения, в частности синхронного двигателя или асинхронного двигателя, а также касается самого электродвигателя, в частности синхронного двигателя или асинхронного двигателя.

Различные приводы, соответственно, машины содержат электродвигатель, который совершает приводную работу, необходимую для функционирования этой машины. При определенных рабочих режимах вследствие загрязнения может произойти блокировка приводного механизма. Эти проблемы часто возникают в системе нагнетания с электрическим приводом, так как транспортируемые массовые потоки смывают загрязнения в корпус насоса или двигателя, что может привести к блокировке вала насоса или двигателя.

Зачастую заблокированные насосы или приводы разбираются и очищаются, чтобы обеспечить дальнейшую работу. Еще одна возможность заключается в том, чтобы снять блокировку путем воздействия механической силы на вал двигателя или рабочей машины или, соответственно, снизить увеличенный пусковой вращающий момент. Например, в DE 3210761 C1 рекомендуется при блокировке двигателя освобождать вал с помощью отвертки.

В ЕР 0771065 В1 представлен способ распознавания блокировки рабочего колеса насоса или двигателя любого привода. Как только необходимый пусковой ток двигателя превышает установленное предельное значение, фиксируется блокировка двигателя. В этом случае привод должен нагружаться максимальным пусковым моментом попеременно в разных направлениях вращения, т.е. максимальным положительным или, соответственно, отрицательным пусковым моментом. Однако недостатком этого способа является то, что привод кратковременно может запускаться в обратном направлении вращения, если блокировка преодолевается во время приложения отрицательного пускового момента.

Поэтому задачей данного изобретения является дальнейшее усовершенствование известных способов пуска электродвигателя, которое позволит решить вышеуказанную проблему.

Эта задача решается посредством способа согласно признакам независимого пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления способа являются предметом зависимых пунктов формулы, ссылающихся на указанный независимый пункт.

Согласно пункту 1 предложен способ пуска электродвигателя с регулируемой частотой вращения. Конкретное исполнение этого электродвигателя может быть любым, т.е. он может быть выполнен, например, как однофазный или многофазный синхронный двигатель, в частности, синхронный реактивный двигатель. Единственным условием является интеграция средства регулирования для установки скорости вращения двигателя. Например, скорость вращения может регулироваться посредством частотного преобразователя. Поэтому указанный способ может быть осуществлен также и в асинхронных двигателях с частотным преобразователем.

Предлагаемый изобретением способ на первом этапе предусматривает надежно идентифицировать блокировку вала двигателя на основании определенных параметров эксплуатации. Как только констатируется блокировка вала двигателя, на вал должен подаваться положительный вращающий момент. Под положительным вращающим моментом при этом следует понимать такой вращающий момент, который вызывает вращательное движение вала в желаемом направлении. В противоположность этому, под отрицательным вращающим моментом понимается момент, вызывающий вращательное движение вала в обратном направлении.

Согласно изобретению предусмотрено также, что прикладываемый положительный вращающий момент непрерывно меняется, причем эти непрерывные изменения происходят с различной частотой, чтобы добиться снятия блокировки. Существенным для изобретения является постоянное приложение положительного вращающего момента. За счет непрерывного варьируемого по частоте изменения вращающего момента можно при использовании так называемых резонансных явлений обеспечить освобождение заклиненного приводного вала. Благодаря этому, в отличие от известных из уровня техники способов, можно избежать того, что при освобождении вала ротора двигатель при определенных условиях начнет вращаться в обратном направлении.

Рабочий режим электродвигателя, в частности синхронного двигателя, регулируется путем изменения приложенного напряжения в секции обмотки, соответственно, тока в секции обмотки, который течет по виткам статорной обмотки двигателя. В зависимости от количества используемых фаз соответственно должен регулироваться ток в нескольких секциях обмотки путем изменения напряжения в секции обмотки. Предпочтительно отдельные токи секций обмотки могут переводиться в систему координат, ориентированную по потокосцеплению ротора, с осью d и осью q. Ось d проходит в направлении поля, которое генерируется самим ротором. Ось q пересекает под прямым углом ось d в плоскости вращения ротора.

Согласно одному особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения приведение в движение вала двигателя положительным вращающим моментом регулируется через составляющую I_q тока вдоль оси q.

Особенно предпочтительно регулировать электродвигатель, в частности синхронный двигатель, по постоянной величине для составляющей I_q тока. В идеальном случае в качестве постоянной величины используется половинное значение I_q/2 максимального тока I_q вдоль оси q. На эту постоянную величину затем накладывается колебание, предпочтительно периодическое колебание, чтобы обеспечить непрерывное изменение положительного вращающего момента для снятия блокировки. Амплитуда при этом выбирается такой, чтобы на вал двигателя всегда передавался положительный вращающий момент.

Подходящими для этого колебательными функциями, в частности периодическими колебательными функциями, оказались синусоидальная или, соответственно, косинусоидальная функции, или любое другое периодическое колебание.

Для достижения эффекта резонанса, который может ускорить освобождение заклиненного ротора, предпочтительно варьируется частота наложенного колебания. Вследствие этого варьируется не только изменение вращающего момента, но и скорость этого изменения. Это ведет к оптимизации расшатывающего действия, которое, создавая эффекты резонанса, вызывает эффективное и быстрое снятие блокировки.

В идеале частота варьируется внутри частотного коридора с минимальным и максимальным значениями частоты. Это варьирование может происходить пошагово или же в непрерывном режиме.

Возможно наложение на постоянную величину составляющей I_q тока колебания, имеющего изменяемую амплитудную характеристику. Однако предпочтительно применять колебание с постоянной амплитудой. В идеале амплитуда используемого наложенного колебания меньше половины максимального значения составляющей I_q тока или равна ей. Следовательно, направление действия этой составляющей тока не меняется, так что всегда прикладывается положительный вращающий момент.

Как только констатируется снятие блокировки, целесообразно уменьшить амплитуду наложенного колебания до нуля. В этом случает работа двигателя сначала продолжится при постоянном половинном значении составляющей I_q тока, а при необходимости оно будет поэтапно увеличиваться, пока не будет установлена желаемая частота вращения двигателя.

Предлагаемый изобретением способ пригоден, в частности, для использования в синхронных двигателях, в которых предусмотрено бессенсорное измерение электрического угла, в частности в синхронных реактивных двигателях. Под электрическим углом при этом понимается угол прохождения магнитного поля ротора, т.е. направление оси d по отношению к фазе секции обмотки возбуждения. Электрический угол регулярно вычисляется по составляющим тока вдоль оси q, а также вдоль оси d.

При использовании вычисленного электрического угла можно в одном особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения сделать заключение о возможной блокировке вала ротора. В частности, системой управления констатируется блокировка вала ротора, если разность между угловым положением текущего этапа сканирования и предыдущего этапа сканирования не превышает определенное предельное значение. Например, в изменении угла между двумя моментами сканирования не обнаруживается никакого различия или, соответственно, лишь пренебрежимо малое значение расхождения. Если в синхронной электрической машине не происходит изменение электрического угла, то можно сделать вывод о том, что вал ротора заклинен, на основании отсутствия вращательного движения. Это может стать первым необходимым критерием блокировки.

В качестве второго необходимого критерия может быть дополнительно принято изменение составляющей I_q тока.

Если одновременно выполняются оба критерия, то констатируется наличие блокировки. Как только вычисленная составляющая I_q тока достигнет максимального значения или превысит его, а изменение угла лежит ниже порогового значения, то следует сделать вывод о том, что вал ротора заклинен.

Данное изобретение касается также электродвигателя, в частности синхронного двигателя или асинхронного двигателя, с системой управления двигателем для осуществления предлагаемого изобретением способа, соответственно, для осуществления любого из предпочтительных вариантов предлагаемого изобретением способа. Электродвигатель, в частности синхронный двигатель или асинхронный двигатель, предпочтительно снабжен частотным преобразователем, который позволяет изменять частоту вращения во время работы двигателя. Кроме того, электродвигатель целесообразно выполнить как бессенсорный двигатель, в котором вычисляется текущее значение угла ротора для оптимизации напряжения в секции обмотки. Целесообразно выполнить электродвигатель как синхронный реактивный двигатель. Преимущества и свойства электродвигателя соответствуют преимуществам и свойствам предлагаемого изобретением способа, соответственно, предпочтительного варианта осуществления способа, в связи с чем их описание здесь повторно не приводится.

Кроме того, данное изобретение касается насоса, в частности лопастного насоса, который приводится в действие электродвигателем согласно данному изобретению. Преимущества и свойства насоса соответствуют преимуществам и свойствам предлагаемого изобретением электродвигателя, соответственно, предпочтительного варианта выполнения электродвигателя.

Другие преимущества и свойства данного изобретения ниже поясняются более подробно с привлечение чертежа.

На единственном чертеже показан график составляющей I_q тока синхронной электрической машины вдоль оси q по времени. Как уже было описано выше, составляющая I_q тока представляет собой ток секции обмотки, переведенный в систему координат, ориентированную по потокосцеплению ротора, с осями q и d. Составляющая I_q тока поэтому может быть интерпретирована как моментообразующий ток и отождествлена с приложенным к валу ротора вращающим моментом.

Для изменения прилагаемого вращающего момента синхронная электрическая машина содержит блок управления, который с использованием частотного преобразователя обеспечивает регулируемый по току режим работы трехфазного синхронного двигателя. С помощью частотного преобразователя может точно устанавливаться число оборотов двигателя.

При такой технологии привода определяется угловое положение ротора, чтобы можно было соответственно ориентировать магнитное поле статора, за счет чего получаются оптимальные ходовые качества ротора. Однако синхронный двигатель не содержит никаких сенсоров для непосредственно определения текущего значения электрического угла, которое все-таки может быть вычислено по измеренным токам секций обмотки.

Базируясь на таком бессенсорно определенном угловом положении, можно также надежно идентифицировать блокировку с помощью следующего условия

где I_q - составляющая тока по оси q системы координат, ориентированной по потокосцеплению ротора,

I_{q макс.} - максимально допустимое значение составляющей тока по оси q,

ϕ_нов. - текущее угловое положение ротора на текущем этапе сканирования,

ϕ_стар. - угловое положение по предыдущему этапу сканирования,

Δϕ - пороговое значение углового положения.

Если это условие выполняется однажды при пуске привода или через определенный промежуток времени длительно или многократно, то система управления синхронного двигателя констатирует блокировку приводного вала.

В этом случае начинается процесс расшатывания с широкополосным возбуждением. Для этого составляющая тока по оси q уменьшается до половины своего максимального значения. Этот процесс показан на представленной диаграмме. В момент 1 времени начинается работа синхронного двигателя, за счет чего течет ток секции обмотки, соответственно, ток по оси q. К моменту 2 времени значение составляющей I_q тока достигает максимального значения I_{q макс.} тока по оси q. С этого момента вышеприведенное условие является выполненным. Однако для детектирования блокировки это условие должно быть выполнено по меньшей мере на промежутке времени от момента 2 до момента 3.

В момент 3 составляющая тока по оси q снижается до половины максимального значения, т.е. на 50%. Далее, в момент 4 на постоянную составляющую I_q,макс./2 накладывается периодическое колебание с постоянной амплитудой. В примере осуществления согласно этому чертежу накладывается синусоидальное колебание, амплитуда которого соответствует половине максимального значения I_{q макс.}/2 составляющей I_q тока. Следовательно, за счет наложенного колебания задается синусоидальный характер составляющей I_q тока, которая всегда принимает положительные значения.

Обеспечивается надежное расшатывание, поскольку частота синусоидального колебания непрерывно изменяется в диапазоне от минимальной частоты f_мин. до максимальной частоты f_макс.. Благодаря этому приводной механизм активируется при различных частотах, т.е. в широкой полосе частот, за счет чего целенаправленно создаются эффекты резонанса и обеспечивается освобождение заклиненного приводного вала.

Как только указанное условие блокировки перестает выполняться, амплитуда задающей частоты, как показано в момент 5 времени, быстро снижается до нуля, и привод запускается в нужном направлении. С этого момента заданная частота ращения синхронной электрической машины непрерывно возрастает, за счет чего и составляющая I_q тока растет в направлении своего максимального значения I_{q макс.}.