Вентильный электродвигатель

Вентильный электродвигатель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 140777(2() 2509797/24-07 (S1}M. Кл, с присоединением заявки №

Н 02 К 29/02

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 2511,79. Бюллетень ¹ 43

Дата опубликования описания 28,11.79 (53) УДКб? I . 31 3, 13.014.2

621. 382 (088.8) (72) Авторы

МЗОбрВт НИя А.К. Аракелян, A. A. Афанасьев, B. Н. Ларионов и B. B, I Ièìèêèí (71) ЗаяВИтЕЛЬ Чувашский государственный университет им. и. Н.ульянова (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕК РОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электродвигателей с бескотактной коммутацией.

Известен вентильный электродвигатель, содержащий якорь, с обмоткой, соединенной с выходом инвертора и индуктор с обмоткой возбуждения, включенной в цепь постоянного тока инвертора и соединенной через отсекающий диод с дополнительным источником питания I1I.

Недостатком известного электродвигателя является сложность его эксплуатации °

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является вентильный электродвигатель, содержащий якорь с многосекционной обмоткой, подключенной к выходу инвертора с естественной коммутацией и тактовой синхронизацией по напряжению якоря и имеющего дроссепь в цепи выпрямленного тока, индуктор с обмоткой возбуждения и дополнительный источник питания цепи возбуждения (2).

Недостатком известного двигателя является недостаточно высокая перегрузочная способность и устойчивость, особенно в динамических режимах, Цель изобретения — повышение перегрузочной способности и устойчивости двигателя.

11оставленная цель достигается тем, что обмотка возбуждения и ее источник питания соединены между собой последовательно и подключены параллельно дросселю, а источник питания снабжен регулятором, охваченным жесткой нелинейной положительной обратной связью по потребляемому току, например, токовой отсечкой.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема вентильного двигателя о регулятором возбуждения, на фиг.2 даны в относительных единицах вольт-амперные характеристики регулятора возбуждения и токораспредв,ление в вентильном двигателе,на фиг.

3 приведена структурная схема вентиль» ного двигателя с предлагаемым регулятором возбуждения, а на фиг.4 — характеристики двигателя.

Электродвигатель содержит трехфазный синхронный двигатель (СД) 1, инвертор тока на управляемых полупроводниковых вентилях(тиристорах) 2, 699617 управляемый выпрямитель 3, система импульсного фазового управления (СИФУ) инвер".ором 4, обмотка возбуждения СД 5, источник независимого возбуждения.6, блок управления этим источником 7, сглаживающий дроссель 8, узел нелинейной положительной обратной связи..по току нагрузки — токовой отсечки 9, СИФУ выпрямителя 10.

На чертежахданы следующие условные обозначения: 11. — график изменения тока возбуждения, необходимый (требуемый) для обеспечения постоянной величины магнитного потока в зазоре (Р = const) 12 — график изменения тока возбуждения в функции тока нагрузки в интервале действия токовой отсечки, 13 — график изменения сигнала положительной обратной связи по току нагрузки с отсечкой (Ьр )р

14 — график изменения суммарйого сигнала управления на входе независимого источника возбуждения

15 — график изменения тока возбуждения в функции жесткой непрерывной положительной обратной связи по току нагруsKH Ug)I Uqy,и. cII,> ь входные

25 .сигналы управлейия соответственно выпрямителя, инвертора, независим го источника возбуждения; У вЂ” сигнал непрерывной положительной жесткой Р П о ратной связи по току нагрузки, — то же внешней обратной связи ос1 с отсечкой, Источник постоянного напряжения

6 (фиг.l) вместе с блоком управления

7,.обмоткой..возбуждения 5 синхронного двигателя 1, сглаживающего дросселя 8 и узла отсечки 9 составляет регулятор возбуждения. Он нагружен через обмотку возбуждения

5 двигателя 1 на дроссель 8. 40

В режиме холостого хода вентилвного двигателя возбуждения синхронной машины 1 обеспечивается неэависимям источником питания регулято- 45 ра возбуждения, а электрическая угловая частота его ротора (скорость ротора) определяется соотношением:

S0

>ni1 а L у

OIGI jII где ц — первая гармоника фазного

ITI 1 напряжения двигателя, (- с — индуктивность взаимоиндукции по продольной оси синхронной машины, !

60 — приведенный к обмотке статора ток возбуждения при холостом ходе СД. и

При статическом нагружении двигателя, его скорость определяется по скоростной характеристике, описываемой выражением:

U cos

mI Ч m, Э ros(c(I,+О)-ЭП, " (-4 Sin2(c(I,-8) где 3, qi перв ая гармоника выходного тока инвертора и угол сдвига между этим током и напряжением статора СИ, — полные индуктивности син хронной машины по осям

d и, активное сопротивление фазы обмотки якоря.. синхронного двигателя, приведенный к обмотке якоря ток возбуждения.. синхронного двигателя, угол нагрузки СД, (cos c(> i(— — 1(за (ср + 8) sin 8 > I 5 In cp ) 3f, (icos(rp> О) sIn(cp 01

Связь этого тока с током нагрузки для получения, например, устойчивых статических механических характеристик конечной (отрицательной) жесткости обнаруживается через магнитный поток в воздушном зазоре синхронного двигателя, который при этом должен оставаться постоянным iр =const иэ которого следует, что наклон (жесткость) скоростной (механической) характеристики системы в любой точке зависит от соотношений меЖду g(g )

> и ц . При нерегулируемом токе возбуждения (3 - cQnst ) и заданном параметре упрайления цз с ростом Mo.—

1 pf мента сопротивления на валу . ) и, следовательно, угла нагрузки 3 растет скорость двигателя, придавая, таким образом, скоростной механической характеристике положительную жесткость, делающую невозможным устойчивую работу двигателя под нагрузкой.

Для получения устойчивых механических характеристик с заданным статизмом требуется изменение. тока обмотки возбуждения двигателя, следовательно и тока независимого источника питания в функции тока нагрузки по определенному,.исходя иэ требований регулирования, закону.

Обобщенный аналитический закон регулирования тока возбуждения в функции нагрузки и скорости при заданном параме-. ре управления (, =canst,) получается из вышеприведенного уравнения скоростной характерис тики:

4996) 7 где E

1Î где

Оно указывает, что при F =coпst . ток непосредственно обмоткй.возбуждения будет изменяться по пропорцио- 35 нальному закону (по характеристике

15, фиг.2) обусловленному внутренней положительной жесткой обратной связью по входному току иннертора, реализуемой-предложенным регулятором возбуждения. Коэффициент этой обратной связи К<..

Из-за размагничивающего характера продольной реакции якорной обмотки от тока нагрузки и отсутствия датчика а ток в обмотке возбуждения должен меняться по характеристике 11, фиг.2.

Токораспределение в регуляторе возбуждения вентильного двигателя при условии поддержания постоянства магнитного потока (р =const ) определяется по схеме замещения: с = +.) а

Рэ+РЕ+Рд 43 Р ФЪ4гд

» р

) 0, a+

I a+ f + I gр э ""f + др

Š— ЭДС независимого источо ника питания обмотки возбуждения при холостом ходе вентильного двигателя, (73 — входной (гладкая составляющая) .ток.иннертора, 20

Зп„

dl р(г 7 юг — коэффициейт, учитывающий коммутационный процесс

g (г ) = — g (о) = (, 1

25 активные сопротивления т pi a соотв етств енно обмотки возбуждения, сглаживающего дросселя и внутреннее сопротивление независимого источника питания. зависит от соотношений сопротивлений элементов регулятора возбуждения и,. и общем случае, может быть регулируемым.

Для формирования же требуемого по условиям ср = const закона регулирования Э =1(Ущ ) или Е = (3„„,) т.е. характеристйки 11 фиг.2, независи и источник-питания (в качестве торого могут быть использованы управляемые ныпрямители, электромашинные или магнитные усилители с выходом на постоянном токе),охватывается в нешней положительной, жесткой, нели60 нейной обратной связью, например, IIo, току нагрузки с отсечкой. Работа этого узла (9), и, н целом, регулятора возбуждения поясняется на фиг.2, где сигнал отсечки изображен характеристикой 13, а суммарный входной . сигнал независимого источника пйтания — 14 °

Ток нозбуждения теперь определится по выражению:

Ь и э» д Р + др з ор — ЭДС независимого регулирования источника питания

Ь =(U ++U, ) "a, Х вЂ” коэффициент усиления независимого источника возбуждения по напряжению, входной сигнал канала возбуждения, определяемый по условиях холостого хода вентильного двигателя о

U (o)= — вх.е

Ц, т — . сигнал токоной отсечки, ост14Р 47»о».,= 49 473qIc

К» — коэффициент усиления.сигнала токовой отсечки, К» = ус (см.х-ку 11 фиг,2), — ток срабатывания отсечки. отс

Следовательно, полученная функция тока возбуждения—

")1о К1 dy 2 d)3 d6 di3aIc позволяет достаточно точно аппрокси- . мировать желаемую - характеристику (11)

gf = f (3 „) (см.фиг.2) днумя кусочно-линейными участками, один из которых (15) в интервале тока нагрузки от нуля до тока срабатывания отсечки обусловлен внутренней положительной обратной связью, а другой (12 — от тока отсечки до максимального его значения — внешней положительной жесткой обратной связью по току нагрузки с отсечкой. Параметры К и К > определяются при аппроксимации желаемой характеристики (11) двумя отрезками (12 j и (15), По величине максимального потребного тока обмотки возбуждения (fe ) и по максимальному напряжению источника независимого возбуждения Уь„ определяется мощность этого источника при регулировании cp = const: н ьн fq»о» с(73 2 d73 Вн

4Ъ 73 С1 ьн ь| У Ь(о) вк напряжение источника питаво ния, выбранное по условиям холостого хода вентильного двигателя, 699617

1 атос 2 с(Р+ b

При Р=О

I о (o) =- — + — g п»1

2 или

+ ta/,1 àp(+)/1oР), 5О

Где .Ф вЂ” полноер приведенное к ста тору, потокосцепление обмотки возбуждения синхронного двигателя гДе, / (Р) = 1м (Р) . W (P положения ротора вентильный двигатель, аналогично некомпенсированной коллекторной машине постоянного тока с нежестко закрепленным щеточным механизмом весьма чувствителен к возмущениям по любому каналу, проявляемым через 5 ток нагрузки, Причем при малых углах опережения отпирания вентилей В(инвертора обеспечивающих лучшее испольl эование синхронной машины $1= ч»1+—

10 предел динамической устойчивости системы в целом ограничивается инвертором..При сравнительно больших углах

3, т. е. при малых co& Q, этот предел ограничивается по допустимому току двигателя, 15

Анализ передаточной функции двига теля по этому. току (У, (Р) 1 /1 (Р)+1) (Р) Wg(P) 4"3= ) где Ф/(р) — характеристический полином вентильного двигателя

4-ro порядка, W,(P3,I// (р) — соответствующие многочле- 25 ны 3-ro порядка по управ.ляю ляющим воздействиям со стороны входной цепи инвертора U и возбужф дения СД U показыва- 30 ет, что при отсутствии регулирования по каналу входа инвертора или по каналу возбуждения синхронной машины вентильный двигатель неустойчив, поскольку некоторые коэффициенты характе-35 ристического уравнения отрицательны, Сравнительно просто устойчивая работа, т.е. стабилизация скорости ВД при любых воэмужениях по току нагрузки, обеспечивается при воздействии на канал возбуждения с помощью данного регулятора возбуждения. Это следует из уравнения, приведенного к статору, электрического равновесия по каналу возбуждения в схеме этого регулятора без токовой отсечки. ,1,1+ f E (т P)+r,(HT>P))+

» 1 Р Lö(311»1 з"" (Ч1+ 8) 1. 1- 1< -6 или; (P) » 1 и» оР)1-(11Р "627т1(Р)+азР1 д(т ) 12Р+ 62 У

1 сos(IP +Ю) с1 = 1-1 1. 1 IIg а» 1 1»(1) 1 2 др з Э ) 3=- f „„1 1 -,7(Г-, 1

Ь2-1 +гэ+ "а 1 (а ад

Р ток демпферной обмотки

СД по продольной оси и индуктивность ее.

Анализ этого уравнения показывает наличие в канале возбуждения внутренней положительной обратной связи по току нагрузки и его производной одновременно, т.е, дей «гтвующих в направлении компенса ции размагничивающей составляющей тока нагрузки.

„„к,=О к,, Кэ — коэффициент усилия независимого источника по напряжению.

Теперь передаточная функция ВД при оегулировании с помощью регулятора без токовой отсечки выразится уравнением. () Ц/(Р) Л,() + „(Р)г(Р) (Р) (Р)— 1()» )

»

С1,Р+ 61 где // (Р) = V4/(Р) »1 Р - 6 которому соответствует структурная схема фиг . 2 .Анали з К (Р ) показывает выполнение условий устойчивости ВД.

При регулировании с ср = const во всем диапазоне нагрузок в операторном выражении i((Р) появится член, учитывающий действие канала отсечки, а передаточная функция системы будет

„,(P) W1(P) U6y b(), /Р

w (Р) С,Р1 Ь, W (P) =Vl(P) с1„(Р)+ 1» Ост() i которой соответствует полная структурная схема вентильного двигателя с данным регулятором, приведенная на фиг,2.

Таким образом электродвигатель может быть использован для механизмов к ак с плавно меняющейся нагрузкой {насосов, вентиляторов), так и с переменной либо резко переменной

1О

699617

Формула изобретения

4 нагрузкой (воздуходувок, поршневых компрессоров и.др.).

Вентильный электродвигатель, содержащий. якорь с многосекционной обмоткой, подключенной к выходу инвертора и естественной коммутаци-- . ей и тактовой синхронизацией по напряжению якоря и имеющего дроссель в цепи выпрямленного тока,индуктор с обмсткой возбуждения и дополнительный источник литания цепи возбуждения,о тл и ч а ю шийся тем,что,с целью повышения перегрузочной способности и устойчивости, обмотка возбуждения и ее источник питания соединены между собой последовательно и подключены параллельно дросселю, а источник питания снабжен регулятором, охваченным жесткой нелинейной положительной обратной связью по потребляемому току, например, токовой отсечкой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе .1. Патент CLlA Р 2133919 кл.318138, . 1940.

2. Аракелян A.Ê. и др. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором.

М., Энергия, 1977, с.144 °

699617

IF

1б

12

IFH в

Составитель A. Санталов

Редактор й. Зубов Техред Л, Алферова Корректор rI. Стец

Заказ 7242/57 Тираж S57 Подписное

ЖИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .

113335, Москва, g-35, Раушская Наб.,д.4/5

Филиал ППП Патент, r.ужгород, ул.Проектная,4