RU2207700C2

RU2207700C2 - Method for controlling valve-type electric motor

Info

Publication number: RU2207700C2
Application number: RU2000108696/09A
Authority: RU
Inventors: В.Ю. Алекперов; Р.У. Маганов; В.Ф. Лесничий; В.И. Грайфер; А.В. Беззубов; Н.П. Хохлов; М.Я. Гинзбург; В.И. Павленко; В.И. Сагаловский; А.В. Сагаловский; В.М. Волков; Г.Л. Агапова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "ЛУКОЙЛ"; Открытое акционерное общество "Российская инновационная топливно-энергетическая компания"
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: electrical engineering; oil and gas extraction industry. SUBSTANCE: method involves starting of motor rotor and its setting in rotary motion in response to emf signals in free- of-current coils of electromechanical converter armature winding. Electromechanical-converter emf signals are applied to normalizer for their conversion to logical-level digital signals that arrive at microcontroller inputs to identify switching moments in armature winding coils when it does not build up rated torque nor builds up braking torque using mathematical model of valve-type motor for the purpose. Microcontroller automatically adjusts switching advance angle to current inductances of valve-type motor and its connecting cable, as well as load current and motor speed. In this way function of controlled rotor-position sensor is implemented with the result that motor efficiency and performance characteristics are enhanced. This makes it possible to dispense with rotor-position sensor for controlling valve-type inductor motors while maintaining adequate performance characteristics of the latter. Proposed method is most effective for motors using very long cables whose length is varied within comprehensive range, such as in oil extraction, boring holes, and the like. EFFECT: enhanced functional capabilities of valve-type motor control. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used in the oil and gas industry.

Известен способ управления вентильным электродвигателем, реализованный в управляемом вентильном электродвигателе, включающий пуск электродвигателя в синхронном режиме и вращение ротора в вентильном режиме по сигналам ЭДС в свободных от тока секциях обмотки якоря (авторское свидетельство СССР 1774455, кл. Н 02 Р 6/02, 1992). A known method of controlling a valve motor, implemented in a controlled valve motor, including starting the motor in synchronous mode and rotating the rotor in valve mode by EMF signals in current-free sections of the armature winding (USSR copyright certificate 1774455, class N 02 P 6/02, 1992 )

Недостатком известного способа является невысокая точность определения момента коммутации силовых ключей, приводящая к снижению эксплуатационных качеств и ресурса работы электродвигателя. The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the moment of switching power switches, leading to a decrease in performance and resource of operation of the electric motor.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления вентильным электродвигателем, секции якорной обмотки которого соединены в "звезду" и подключены к выходам двухполупериодного преобразователя частоты в виде трехфазного моста с обратными диодами, включающий пуск и вращение ротора по сигналам ЭДС в свободных от тока секциях обмотки якоря, преобразование сигналов ЭДС нормализатором в дискретные сигналы логического уровня, поступление дискретных сигналов на входы микроконтроллера, определение микроконтроллером по математической модели данного типа электродвигателя моментов коммутации секций обмотки якоря относительно моментов перехода через ноль ЭДС свободных секций (Radim Visinka, Leos Chalupa, Ivan Skalka. "Системы управления электродвигателями на микроконтроллерах фирмы MOTOROLA". CHIP NEWS Цифровое управление электроприводом, 1999, 1, стр.15). Closest to the proposed one is a method of controlling a valve motor, the sections of the anchor winding of which are connected in a "star" and connected to the outputs of a half-wave frequency converter in the form of a three-phase bridge with reverse diodes, which includes starting and rotating the rotor by EMF signals in the current-free sections of the armature winding, conversion of EMF signals by the normalizer into discrete logic level signals, the input of discrete signals to the inputs of the microcontroller, the determination of the microcontroller by mathematical model of this type of electric motor of the moments of switching sections of the armature windings relative to the moments of transition through zero of the EMF of free sections (Radim Visinka, Leos Chalupa, Ivan Skalka. "Motor control systems on microcontrollers from MOTOROLA." CHIP NEWS Digital control of an electric drive, 1999, 1, p. fifteen).

Недостатком известного способа является отсутствие коррекции момента коммутации в зависимости от величины тока нагрузки, скорости вращения двигателя и индуктивности двигателя с подводящим кабелем в процессе работы двигателя и, как следствие, невозможность управления вентильным индукторным двигателем. The disadvantage of this method is the lack of correction of the switching moment depending on the magnitude of the load current, the rotation speed of the motor and the inductance of the motor with the supply cable during engine operation and, as a consequence, the inability to control the induction induction motor.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в создании универсального способа управления вентильным электродвигателем. The invention is aimed at solving the problem of creating a universal method for controlling a valve motor.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления вентильным электродвигателем, секции якорной обмотки которого соединены в "звезду" и подключены к выходам двухполупериодного преобразователя частоты в виде трехфазного моста с обратными диодами, включающем пуск и вращение ротора по сигналам ЭДС в свободных от тока секциях обмотки якоря, преобразование сигналов ЭДС нормализатором в дискретные сигналы логического уровня, поступление дискретных сигналов на входы микроконтроллера, определение микроконтроллером по математической модели данного типа электродвигателя моментов коммутации секций обмотки якоря относительно моментов перехода через ноль ЭДС свободных секций, моменты коммутации смещаются относительно моментов перехода через ноль ЭДС свободных секций в зависимости от величин тока нагрузки, скорости вращения ротора и индуктивности секций якорной обмотки, при этом в качестве интегральной оценки текущих значений тока нагрузки, скорости вращения ротора и индуктивности секций якорной обмотки используется время протекания тока через обратный диод трехфазного моста. The problem is solved in that in the method of controlling a valve electric motor, the sections of the anchor winding of which are connected in a "star" and connected to the outputs of a half-wave frequency converter in the form of a three-phase bridge with reverse diodes, which includes starting and rotating the rotor by EMF signals in winding-free sections of the winding anchors, the conversion of EMF signals by a normalizer into discrete logic level signals, the input of discrete signals to the inputs of the microcontroller, the determination of the microcontroller by mathematical of the first model of this type of electric motor of the moments of switching of the sections of the armature of the armature relative to the moments of passage through zero of the EMF of free sections, the moments of switching are shifted relative to the moments of passing through zero of the EMF of free sections depending on the magnitude of the load current, rotor speed and inductance of the sections of the armature winding, while as integral assessment of the current values of the load current, rotor speed and inductance of the sections of the armature winding uses the time the current flows through the reverse diode of three phase bridge.

При осуществлении изобретения реализуется повышение КПД двигателя за счет более точного определения момента коммутации. When carrying out the invention, an increase in engine efficiency is realized due to a more accurate determination of the moment of switching.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 функциональная схема нормализатора; на фиг.3 - диаграмма напряжений секций обмотки якоря на входе и выходе нормализатора; на фиг.4 - диаграммы ЭДС секций якорной обмотки на холостом ходу и под нагрузкой. The invention is illustrated in the drawing, where figure 1 presents a functional diagram of a valve motor; figure 2 functional diagram of the normalizer; figure 3 is a voltage diagram of sections of the armature winding at the input and output of the normalizer; figure 4 is a diagram of the EMF sections of the anchor winding at idle and under load.

Способ управления реализован в вентильном электродвигателе, содержащем электромеханический преобразователь энергии 1 с выполняющим функцию индуктора ротором 2 на постоянных магнитах или ротором 3 из магнитомягкого материала с обмоткой возбуждения 4. Секции якорной обмотки 5, 6, 7 электромеханического преобразователя 1 соединены в "звезду" и подключены к выходам двухполупериодного преобразователя частоты 8, выполненного в виде трехфазного моста с обратными диодами, и к входам нормализатора 9. Сигналы с нормализатора поступают на микроконтроллер 10, формирующий управляющие комбинации для преобразователя частоты. Нормализатор 9 имеет входы 11, 12, 13, 14, 15, выходы 16, 17, 18, 19, 20, 21, компараторы 22, 23, 24, 25, 26, 27 и делитель 28, включающий в себя источник напряжения Е, определяющий пороги срабатывания компараторов. The control method is implemented in a valve electric motor containing an electromechanical energy converter 1 with a rotor 2 with permanent magnets acting as an inductor or a rotor 3 of soft magnetic material with an excitation winding 4. The sections of the anchor winding 5, 6, 7 of the electromechanical converter 1 are connected to a "star" and connected to the outputs of the half-wave frequency converter 8, made in the form of a three-phase bridge with reverse diodes, and to the inputs of the normalizer 9. The signals from the normalizer are fed to the microcontroller Oller 10 forming a play control to the frequency converter. The normalizer 9 has inputs 11, 12, 13, 14, 15, outputs 16, 17, 18, 19, 20, 21, comparators 22, 23, 24, 25, 26, 27 and a divider 28, which includes a voltage source E, determining thresholds for comparators.

Способ управления вентильным электродвигателем реализован следующим образом. The method of controlling a valve motor is implemented as follows.

После пуска электродвигателя по сигналам ЭДС в свободных от тока секциях обмотки якоря микроконтроллер 10 циклично выдает управляющие комбинации, обеспечивающие 120^o коммутацию ключей, на двухполупериодный преобразователь частоты 8. Ротор 2 или 3 вращается.After starting the electric motor according to the EMF signals in the current-free sections of the armature winding, the microcontroller 10 cyclically issues control combinations providing 120 ^o key switching to a half-wave frequency converter 8. The rotor 2 or 3 rotates.

Пусть при выдаче I-ой управляющей комбинации преобразователь частоты 8 отключает секцию 6 от "+" источника в момент времени t₁ фиг.3. Нормализатор 9 преобразует напряжение секции 6 на входе 13 в напряжения логического уровня на выходах 18,19. В этих сигналах, поступающих на входы микроконтроллера 10, содержится следующая информация:
- о времени Т (фиг.3) - время протекания тока в прежнем направлении под действием ЭДС самоиндукции через обратный диод преобразователя частоты 8;
- о моменте времени t₂ (фиг.3) - момент перехода через ноль ЭДС секции, отключенной от источника.Let the frequency converter 8 disconnect section 6 from the “+” source at time t _{1 of} Fig. 3 when issuing the I-th control combination. The normalizer 9 converts the voltage of the section 6 at the input 13 to the voltage of the logic level at the outputs 18.19. These signals received at the inputs of the microcontroller 10 contain the following information:
- about the time T (Fig. 3) - the current flow time in the previous direction under the influence of the self-induction EMF through the inverse diode of the frequency converter 8;
- about time t ₂ (figure 3) - the moment of transition through zero EMF section, disconnected from the source.

На фиг. 4 представлены диаграммы ЭДС секций 5, 6, 7, якорной обмотки на холостом ходу и при нагрузке под действием реакции якоря. Из диаграмм следует, что в зависимости от величин тока нагрузки, скорости и индуктивности необходимо смещение момента коммутации секций 5, 6, 7 якорной обмотки относительно перехода через ноль ЭДС свободных секций, определяемое математической моделью данного типа электродвигателя, что не учитывается в известных способах управления. Это приводит к протеканию тока в секциях обмотки якоря, когда он не создает номинальный момент или создает тормозной. In FIG. 4 shows the EMF diagrams of sections 5, 6, 7, of the anchor winding at idle and under load under the influence of the armature reaction. From the diagrams it follows that, depending on the magnitude of the load current, speed and inductance, it is necessary to shift the switching moment of sections 5, 6, 7 of the anchor winding relative to the transition through zero of the EMF of free sections, determined by the mathematical model of this type of electric motor, which is not taken into account in known control methods. This leads to the flow of current in sections of the armature winding when it does not create a rated torque or creates a braking torque.

Микроконтроллер 10 вычисляет момент подключения секции 6 к "-" источника питания (момент выдачи I+1-ой комбинации), используя время между моментами t₂, перехода ЭДС секций, отключенных от источника через "0". Для учета реакции якоря при определении моментов коммутации используется время Т. Для этого вычисленный момент смещается на величину, пропорциональную времени Т.The microcontroller 10 calculates the moment of connecting the section 6 to the “-” of the power source (the moment of issuing the I + 1st combination) using the time between the moments t _{2 of the} transition of the EMF of the sections disconnected from the source through “0”. To take into account the reaction of the armature when determining the switching moments, the time T is used. For this, the calculated moment is shifted by a value proportional to the time T.

Применение описанного способа позволяет исключить протекание тока в секциях якорной обмотки, когда он не создает номинального момента или создает тормозной момент. Т.е. микроконтроллер автоматически настраивает смещение момента коммутации на текущие значения индуктивности двигателя с подводящим кабелем, тока нагрузки и скорости вращения двигателя. Это приводит к повышению КПД, улучшению эксплуатационных характеристик вентильных двигателей и делает возможным управление вентильными индукторными двигателями без установки датчика положения ротора с хорошими эксплуатационными характеристиками. The application of the described method eliminates the flow of current in sections of the armature winding when it does not create a rated torque or creates a braking torque. Those. the microcontroller automatically adjusts the shift of the switching moment to the current values of the motor inductance with the supply cable, load current and motor rotation speed. This leads to increased efficiency, improved operational characteristics of valve motors and makes it possible to control valve induction motors without installing a rotor position sensor with good performance.

Этот метод особенно эффективен в системах, где длина подводящего кабеля значительна и меняется в широких пределах, например в нефтедобыче, бурении. This method is especially effective in systems where the length of the supply cable is significant and varies widely, for example, in oil production and drilling.

Claims

A method of controlling a valve motor, the sections of the anchor winding of which are connected in a "star" and connected to the outputs of a half-wave frequency converter in the form of a three-phase bridge with reverse diodes, which includes starting and rotating the rotor by EMF signals in current-free sections of the armature winding, converting EMF signals by the normalizer into discrete signals of a logical level, the arrival of discrete signals to the inputs of the microcontroller, the microcontroller determines by the mathematical model of this type of electric motor m switching moments of the armature winding sections relative to the moments of transition through zero EMF of free sections, characterized in that the switching moments are shifted relative to the moments of passing through zero EMF of free sections depending on the magnitude of the load current, rotor speed and inductance of the sections of the armature winding, while as an integral Estimates of the current values of the load current, rotor speed and inductance of the sections of the armature winding use the current flow time through the return diode of the three-phase bridge.