Реверсивный вентильный электродвигатель

Реверсивный вентильный электродвигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОЛВИГАТЕЛЬ , содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополупериодного полупроводникового коммутатора, вьшолненного в виде однополярных усилителей постоянного тока по числу секций якоря, синусно-косинусный датчик положения ротора, снабженный выходами постоянного тока по числу секций якоря, связанный с задатчиком скорости вращения, измерители фазных ЭДС секций и задатчик скорости вращения , отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования скорости, полупроводниковый коммутатор дополнительно снабжен корректирующими, например, .апериодическими звеньями, и сумматорами по числу секций якоря, выходы которых подключены через корректирукяцие звенья к входам соответствующих усилителей постоянного тока, первый вход каждого сумматора соединен с выходом измерителя фазной ЭДС секции якоря, а второй вход подключен к соответствующему выходу постоянного тока синусно-косинусного датчика положения ротора.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3672340/24-07 (22) 08.12.83 (46) 30.04.85. Бюл. М- 16 (72) А.Г.Иикеров и Г.Е.Хоха (53) 621.313.13.014 ° 2:621.382 (088.8) (56) 1.Авторское свидетельство СССР

Ф 186019 кл. Н 02 К 29/02, 1964.

2.Авторское свидетельство СССР

Р 1046864, кл. Н 02 К 29/02, 1982. (54)(57) PEBEPCHBHIIA BEHTHJIbHbIA ЭЛЕКТРОДВИ ATEJIb, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополупериодного полупроводникового коммутатора, выполненного в виде однополярных усилителей постоянного тока по числу секций якоря, синусно-косинусный датчик положения ротора, снабженный выходами постоянного тока по числу сек„„QU„„1153381

11дц Н 02 К 29/02; Н 02 P 6/02 ций якоря, связанный с задатчиком скорости вращения, измерители фазных

ЭДС секций и задатчик скорости вращения, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования скорости, полупроводниковый коммутатор дополнительно снабжен корректирующими, например, .апериодическими звеньями, и сумматорами по числу секций якоря, выходы которых подключены через корректирующие звенья к входам соответствующих усилителей постоянного тока, первый вход каждого сумматора соединен с выходом измерителя фазной ЭДС секции якоря, а второй вход подключен к соответствующему выходу постоянного тока синусно-косинусного датчика положения ротора.

1153382

Устройство относится к электротехнике, а именно к электрическим двигателям постоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью полупроводниковых приборов, предназначено для использования преимущественно в электрических машинах, работающих в качестве реверсивных моментных двигателей систем управления объектов различного назначения со стабилизированной скоростью вращения.

Известен реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий статор с обмоткой якоря, ротор с постоянными магнитами, синусно-косинусный датчик положения ротора и электронный коммутатор, выполненный в виде линейных усилителей постоянного тока по числу секций якоря, что обеспечивает высокую плавность вращения ротора двигателя (1).

Недостатком такого-электродвигателя является нестабильность скорости вращения при изменении момента нагрузки и коэффициентов передачи узлов за счет воздействия температуры и других возмупающих факторов.

Наиболее близким к изобретению является реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополупериодного полупроводникового коммутатора, выполненного в виде однополярных усилителей постоянного тока по числу секций якоря, измерители фазных ЭДС секций, связанные через блок низких частот и блок изменения знака обратной связи с блоком сравнения, второй вход которого подключен к задатчику скорости, а выход к модулятору синусно-косинусного датчика положения ротора, выходы постоянного тока которого связаны с входами усилителей постоянного тока $2).

Недостаток известного вентильного двигателя заключается в малом диапазоне регулирования скорости из-эа неустойчивой работы при реверсе в области низких скоростей вращения.

Цель изобретения — расширение диапазона регулирования скорости °

Поставленная цель достигается тем, что в реверсивном вентильном электродвигателе, содержащем ротор, статор с обмоткой якоря, секции конаправлению вращения ротора. Это

ЗО позволяет отказаться от использования блока изменения знака обратной связи и связанных с ним элементов, вызывающих неустойчивую работу при малых скоростях вращения, и тем самым, получить положительный эффект в виде расширения диапазона регулирования при сравнительном упрощении устройства. При этом наличие в уст35

4О ройстве корректирующего звена предотвращает возможность возникновения паразитных колебаний по цепи обратной связи, что приводит к расширению диапазона регулирования ско 5 рости.

На фиг. 1 представлена функциональная схема реверсивного вентильного электродвигателя; на фиг. 2 часть принципиальной электрической

5О схемы электродвигателя; на фиг. 3 диаграммы, поясняющие работу устройства.

Реверсивный вентильный электродвигатель выполнен на базе синхронной машины, которая содержит ротор

2 с постоянными магнитами и статор с обмоткой якоря, разделенной на секции 3-6. Один вывод каждой секции торой . соединены с выходом однополупериодного полупроводникового коммутатора, выполненного в виде однополярных усилителей постоянного тока

5 по числу секций якоря, синусно-косинусный датчик положения ротора, снабженный выходами постоянного тока по числу секций якоря, связанный с задатчиком скорости вращения, измерители фазных ЭДС секций и задатчик скорости вращения, полупровод\ никовый коммутатор дополнительно снабжен корректирующими, например, апериодическими звеньями и сумматорами по числу секций якоря, выходы которых подключены через корректирующие звенья к входам соответствующих усилителей постоянного тока,, первый вход каждого сумматора соеди нен с выходом измерителя фазной ЭДС секции якоря, а второй вход подключен к соответствующему выходу постоянного тока синусно-косинусного датчика положения ротора.

Наличие указанных отличительных признаков обеспечивает введение отрицательной обратной связи по скорости вращения электродвигателя, знак которой строго соответствует

115

3 соединен с общей шиной 7, а второй подключен к выходам однополупроводникового коммутатора 8, выполненного в виде однополярных усилителей 9-12 постоянного тока по числу секций

5 якоря. С ротором 2 соединен синуснокосинусный датчик 13 положения ротора, выполненный, например, в виде вращающегося трансформатора, вторичные обмотки 14 и 15 которого соединены через фазочунствительные выпрямители 16 и 17 и инверторы 18 и 19 с прямыми 20 и 21 и инверсными

22 и 23 выходами датчика положения ротора 13. Электродвигатель также содержит задатчик 24 скорости и измерители фазных ЭДС в виде диодов

25-28, отрицательные электроды которых подключены к выводам секций 3-6 якоря. Направление включения диодов

25-28 (фиг. 1) соответствует случаю положительной полярности (относительно общей шины 7) напряжений на выходах однополярных усилителей 9-12.

Дополнительно вентильный электродвигатель снабжен сумматорами 29-32 по числу секций якоря, выходы кото— рых подключены соответственно к входам усилителей 9-12 постоянного тока через корректирующие звенья 3336. Первый вход каждого сумматора 29«30

32 соединен соответственно с выходом измерителя фазной ЭДС (положительным электродом диодов 25-28) инверсной секции якоря. Таким образом, первый вход сумматора 29, соединенного 35 через корректирующее звено 33 и усилитель 9 с секцией 3 обмотки якоря, подключен к диоду 26, соединенному с секцией 4, инверсной секции 3 обмотки якоря. Аналогично подключены пер- 40 вые входы и остальных сумматоров 30, 3 1 и 32, Второй вход каждого сумматора 29, 30, 3 1 и 32 соединен с соответствующим выходом 20, 21, 22 и 23 датчика 13 положения ротора, вход 4> которого (в данном случае первичная обмотка 37 вращающегося трансформатора) подключен к задатчику скорости 24.

Сумматоры 29, 30 и корректирующие И звенья 33, 34 могут быть выполнены, например, на операционных усилителях

38 и 39 (фиг. 2), входящих в состав усилителей 9 и 10 постоянного тока, причем операционный усилитель 39 Я выполняет также роль инвертора 18.

Операционные усилители 38 и 39 выполнены по схеме суммирующих усилителей

3381 4 с резисторами 40 и 41 в цепях обратной связи, при этом инвертирующий вход операционного усилителя 38 подключен к общей шине 7 через резистор

42, а неинвертирующий вход соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 16 через резистор 43, с диодом 26 — через резистор 44, с общей шиной 7 — через резистор 45. Инвертнрующий вход операционного усилителя

39 подключен к выходу фазочувствительного выпрямителя !6 через резистор- 46, а неинвертирующий вход соединен с диодом 25 через резистор 47 и с общей шиной 7 через резистор 48.

Выходы операционных усилителей 38 и 39 подключены соответственно к выводам секций 3 и 4 обмотки якоря через транзисторы 49, 50 и 51, 52.

Транзисторы 50 и 52 подключены к источнику питания положительной полярности(+Б„). Резисторы 53, 54 и 55, 56 служат для выбора рабочих режимов транзисторов 49, 50 и 51, 52.

Корректирующие звенья 33 и 34 могут быть выполнены, например, в ниде RC -цепи с резисторами 40 и 4 1 и конденсаторами 57 и 58 в цепях обратной связи операционных усилителей 38 и 39. В этом случае реализуется передаточная функция апериодического корректирующего звена. При необходимости в цепи обратной связи операционных усилителей могут быть включены другие элементы, реализующие передаточные функции более сложного вида.

Обмотка якоря синхронной машины 1 может быть выполнена не только двухсекционной, но также и 6, 8 и т.д. секционной с вынодом общей точки.

Однако при этом датчик 13 положения ротора должен иметь число выходов, равное числу секций. Например, при шестисекционной обмотке якоря в качестве датчика 13 положения ротора может быть применен сельсин, три вторичных обмотки которого соединены с шестью выходами датчика через три фазочувствительных выпрямителя и три инвертора.

Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим обраSOM, При подаче напряжения U переменного тока от задатчика 24 скорости (фиг. 1) на вторичных обмотках 14 и 15 вращающегося трансформатора

1153381 образуются напряжения переменного тока, Огибаке ие которых равны и = к v sin m y ;

1Ф 8

0 =К U eos rnid

15 3 ! 5 где Ka — коэффициент трансАормации — угол поворота ротора 2 электродвигателя 1;

rn - число пар полюсов электродвигателя и вращающегося

1О трансформатора.

Пройдя через Аазочунствительные выпрямители 16 и 17, а также инверторы 18 и 19,эти напряжения образуют на прямых 20, 21 и инверсных 22, 23 выходах датчика 13 положения ротора напряжения (фиг. 4а, e): и2О К <Цз,- у, 021 КФ к Ц cog m9.

21

Ц 51и m p

29 ф Кд и cos m Vi

20 где Д К (К 0 К j где К вЂ” коэффициент передачи Аа- 2

Ф зочунстнительного выпрямителя 16 (17) .

Усилители 9, 10, 11 и 12 постоян" ного тока (Аиг. 1) янляются однополярными неинвертирующими усилителями З0 поэтому на их выходах н рабочий полупериод появляется напряжение положительной полярности при положительном напряжении на их выходах. При отрицательной полярности н нерабочий

35 полупериод усилители 9-12 закрыты и напряжение на их выходах определяется только ЭДС вращения синхронного электродвигателя 1, имеющей отрицательную полярность.

Для нормальной работы электродвигателя необходимо, чтобы ЭДС вращения в секциях 3 и 4 обмотки якоря (фиг. 1) изменялась по закону синуса, а в секциях 5 и 6 — косинуса угла поворота ротора 2, что достигается начальной выстанкой датчика

13 положения ротора. В этом случае

ЭДС вращения отрицательной полярности, проходя через диоды 25 и 26, преобразуется в напряжения (фиг.3с, Д) в с т к(р) где и=

t,S " IAS1nm V, еРи

-K 111 |1i у

Ц2Ь 0 вращения

W (р) д1 (s)

0 1 Y(Ti

iл mY 2)i

55 при 0(щ с 7 () и ри Т m V < 2Ti, где и1 — угловая частота нраще ния ротора 2;

"е — коэффициент пропорциональности 9зависящий от конст рукции синхронного электродвигателя 1.

На сумматорах 29 и 30 (фиг. 1) эти напряжения складываются с напряжениями Б и Б (2), образуя сигналы (фиг. 4 е, Е):

У81n mV пру 04 mls 7 ц =к (и +ц

1 (Ю

29 Xi2o 2(. К К К sinai iiW УсМ42)(, ,5 Д ф

К вЂ” коэффициент передачи сумматора.

Так как для усилителей 9- l2 рабочий полупериод соответстнует положительной полярности входного напряже- ния, то на выходах усилителей 9 и 10 н рабочие полупериоды формируются напряжения и К У((p)d %0 3%, дри 0(т (/г, (81

U< =-к Ж (р) Фз пает ри > m9 827> где ф (р)- передаточная функция корK ректирующего звена 33(34);

К вЂ” коэффициент усиления усну лителей 9(10) .

Эти напряжения показаны на фиг.3 сплошной линией, а штриховой—

ЭДС вращения синхронного электродвигателя 1, образующаяся на-выводах секций 3 и 4 в нерабочие полупериоды.

Так как секции 3 и 4 включены встречно, то их результирующая магнитодвижущая сила с учетом (8) равна (фиг.. 31): — параметр определяемый конст в струкцией синхронного электродвигателя 1.

Полагая в полосе рабочих частот

1153381 можно считать с ст

= К < +6 i 33 Ю 4 (101

Аналогичным образом формируется результирующая магнитодвижущаяся S сила секций 5 и 6 обмотки статора, управгяемык косинусной вторичной обмоткой 15 вращающегося трансформатора к = Kc K>d coS 333 l (!!1

Согласно принципу действия син- !О хронного электродвигателя 1 магнитодвижущие силы (10) и (11) образуют в расточке статора круговое вращающееся магнитное поле, которое создает вращающий момент злектродвигате- !5 ля,.приводящий ротор 2 во вращение со скоростью, пропорциональной амплитуде магнитодвижущих сил (10) и (11) где К вЂ” коэффициент, определяемый конструктивньпы параметра-. ми электродвигателя 1, 1 *- Ко ст

Находя из последнего уравнения ы, Ю получим:

"тр Р

W (И.— тр р р+1

Р,(р)

Т +!

Условием отсутствия автоколебаний при положительной обратной связи является неравенство

u„

"s

"+КВ4 е К„, К,) ), найдем иа (13)

ы= О„ а (15) е

Таким. образом, устройство поддерживает скорость вращения двигателя пропорционально напряжению задатчика скорости при любых значениях его амплитуды и знака (фазы).

Корректирующие звенья 40 и 4 1 предназначены для подавления пара- 4S зитных автоколебаний на выходах усилителей 9 и 10, которые могут aosникнуть из-за вэаимоиндуктивности секций 3 и 4 обмотки якоря. Действительно, так как обратная связь с сек-Я ции 4 на вход усилителя 9 является отрицательной, а секция 4 включена встречно с секцией 3, то взаимоиндуктивная связь между секциями приводит к положительной обратной связи Я с выхода усилителя 9 на его вход.

Аналогичная связь существует и во всех других усилителях 10, 11 и 12.

+ (P)

Т„р+1

% ч "т з тр

Выбирая в полосе рабочих частот достаточно большой коэффициент усиления замкнутого контура так, чтобы было справедливо:

Передаточная функция разомкнутого контура положительной обратной связи имеет вид

%„(Р}= KY K„9I р р) Nl„(p), О4} где 9 р(р) — передаточная функция взаимонндуктнвной связи секций обмотки электродвигателя.

Взаимоиндуктивная связь может быть представлена дифференцирующим звеном постоянного тока где тр - постоянная времени взаимоиндуктивной связи; 3 М " электромагнитная постоянная времени электродвига-, теля.

С учетом (16), получим

Р а

ПО@ g 3 !3 Т р+1 эм которое позволяет выбрать параметры корректирующего звена.

В частности, для малых электромагнитных постоянных времени (что ,характерно, например, для моментных синхронных электродвигателей), полагая Т - О и приняв корректирующее звено в виде апериодического звена получим из (19)

К К ш (1

Пренебрегая единицей под корнем (т.е. усиливая неравенство), найдем

-требуемую постоянную времени корректирующего звена

Однако черезмерное увеличение постоянной времени Т нежелательно, так как может привести к нарушению условия (9) . При этом на больных скоростях вращения заметно возрастает ток якоря вентильного электродвигателя и уменьшается его вращающий момент, так как появляется сдвиг между магнитодвижущими силами статора и ротора. Поэтому в практических системах желательно уменьшение коэАфициентов К К,и Г

Отрицательная обратная связь по скорости в данном электродвигателе действует только при величине фаэных ЭДС вращения, превышающей пороговое напряжение диодов 25-28.

Положительный эффект от использования данного реверсивного вентиль1153 381 ного электродвигателя заключается я рас1цирении диапазона регулирования скорости н сторону малых скоростей вращения. Гсли в ранее известном устройстве при малых скоростях BpR щения возможна неустойчивая работа (срыв вращения) за счет наличия зоны малых задающих напряжений, то в данном устройстве такая неопреде10 ленность знака обратной .связи невозможна при любых. скоростях вращения, так как сигналом обратной связи является фазная ЭДС вращения, знак которой строго соответствует направле15 нию вращения ротора электродвигателя.

Кроме того, данное устройство проще, так как имеет меньшее количество элементов.

1153381

Фи . 2

1153381

03uЮ

022, gg

УГ

О

Составитель В.Тарасов

Редактор Л.Авраменко Техред Ж.Кастелевич

Корректор С Шекмар

Подпис ное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4

Заказ 2517/43 Тираж 64б

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4i5