Многодвигательный электропривод

 

ОП ИСАИ ИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУСоюз Советских

Социалистических

Республик рн! 001420 (6!)Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 24P &Pi (21) 3334794/24-07 (И) М. Кл.з н ог Р 7/68 с г рисоединением заявки Нов

Государственный комитет

СССР . но делам изобретений н открытий (23) ПриоритетОпубликовано 28.02,83,бюллетень М 8

Ю) ЙЖ 621 ° 313.. .292(088.8) Дата опубликования описания 28.02.83 (72) Авторы изобретения

В.К.Лозенко и В.И,Тим 4 =. ° . -,г ф

Московский ордена Ленина и о дена ОктябрыжЫ@

Революции энергетически@ инотитутIt

4 (71) Заявитель (54 ) ИНОГОДВИГАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД

20

30. Изобретение относится к электротехнике, в частности к синхронизированному электроприводу, содержащему несколько электродвигателей,н может найти применение для построения систем синхронного вращения нескольких механически несвязанных валов в широ ком диапазоне изменения нагрузки.

Известен электропривод, содержащий несколько синхронных машин с дат .чиками положения ротора на каждой общий полупроводниковый коммутатор и выявитель рассогласования сигналов датчиков положения ротора по частоте и фазе f1 j.

Синхронное вращение.механически несвязанных валов обеспечивается:за счет выявления электродвигателя, ротор которого является отстающим по углу поворота от других.электродвигателей, и управления общим полупроводниковым коммутатором по сигналам датчика положения ротора этого ,электродвигателя.

Недостатками такого электропривода являются низкие энергетические показатели электропривода при различных величинах моментов нагрузки на электродвйгателях. Это объясняется тем, что синхронизирующий мо2 мент в электроприводе обеспечивается за счет поздней коммутации менее нагруженных электродвигателей, что сопряжено с ухудшением энергетических показателей.

Известен многодвигательный электропривод с синхронно вращающимися. электродвигателями, содержащими каждый. синхронную машину с датчиком положения ротора и коммутатор {.2 g. .Синхронное вращение механически несвязанных валов электродвигателей обеспечивается за счет того, что многоканальные датчики положения ро тора связаны,по части каналов с цепью управления, по крайней мере, одного ключа полупроводникового коммутатор4 через функциональный преобразователь сигнала в сигнал с задержанным передним фронтом на. интервал временй, соответствующий углу рассогласования между ротором данного электродвигателя и ротором электродвигателя, отстающего по углу поворота.

Недостатком указанного электропривода является значительная величи . на угла пространственного рассогласования между синхронно вращающимися роторами электродвигателей.

1001420

Наиболее близким к предлагаемому является электропривод, содержащий, по крайней мере, два электродвигателя, каждый из которых выполнен на базе синхронной машины с установленным на ее валу многоканальным датчиком положения ротора и размещенной на статоре,it)-секционной якорной обмоткой, секции якорной обмотки подключены. к выходам полупроводникового коммутатора, к цепям управ.— . 10 ления ключей которого подключен широтно-импульсный регулятор, и измеритель пространственного рассогласования синхронно вращающихся механически несвязанных роторов электродвигателей, входы которого .Связаны с каналами датчиков положения ротора, с а выходы — с управляющими входами широтно-импульсного регулятора $3/.

Формы выполнения широтно-импульсного регулятора и измерителя-пространственного рассогласования .роторов могут быть различны. В частности, эти. функциональные блоки могут быть конструктивно обьединены и выполне ны в виде функционального преобразо" ,вателя каждого сигнала датчика положения.ротора в последовательность импульсов, следующих друг за другом с интервалом времени, .соответствующим углу пространственного рассогласования между ротором данного электродвигателя и ротором отстающего по углу поворота. При этом отстающий в пространственном отношении электродвигатель работает в естествен- 35 ном режиме вентильного электродвигателя, управляемого по сигналам соб. ственного датчика положения ротора, а опережающий в пространственном отношении электродцигатель работает 4р в квазиустановившемся режиме: разгон (режим вентильного электродвигателя 1 — торможение на выбеге (режим отключения от источника питания) . Электропривод характеризует- 45 ся удовлетворительнылщ энергетичес- .кими характеристиками, однако об.ладает низкой устойчивостью.

Для повышения устройчивости электропривода в переходных режимах и уменьшения углов пространственного рассогласования вышеуказанный функциональный преобразователь может быть дополнительно снабжен формирователем импульсов на временном интервале между двумя последователь:ностями импульсов, причем длительность сформированных импульсов соответствует указанному углу прост-ранственного рассогласования.

В этом случае отстающий в прост- Я) ранственном отношении электродвига тель также работает в естественном режиме вентильного электродвигателя, l управляемого по сигналам собственного датчика положения ротора, а 65 опережающий в пространственном отношении электродвигатель работает в квазиустановившемся режиме: разгон 1режим вентильного электродвигателя) — активное торможение (динамическое торможение или противовключение) .

Недостатком известного электро двигателя является ухудшение .энерге1

Ь тических характеристик. Для электроприводов мощностью уже несколько десятков ватт не удается в полной мере решить задачу, устойчивости и снижения углов пространственного рассогласования, что особенно важно для, высокогочных систем.. Это объяс-. няется тем, что из соображений уменьшения установленной мощности, массы и габаритов полупроводникового коммутатора такие электродвигатели в обязательном порядке. снабжаются устройствами защиты от максимальных токов. Защита срабатывает при токе, в два — четыре раза превышающем но.минальный. В режиме активного торможения отношение тормозного момента к вращающему не может превышать указанное значение и поэтому величина синхронизирующего момента в элект:роприводе ограничена. Кроме этого, в известном электроприводе регулирующему воздействию подвергаются электродвигатели, которые являются опережающими в пространственном отношении ° Электродвигатель, отстающий в пространственном отношении, управляющему воздействию не подвергается.

Повышение устойчивости и уменьшение углов пространственного рассогласования в рамках известной функциональной схемы электропривода может быть получено за счет увеличения числа секций якорной обмотки синхронной машины и за счет выполнения ключей полупроводникового коммутатора, рассчитанных на пусковые токи или на токи противовключения (выполнение электропривода без устройства защиты) . Однако такой путь нельзя признать рациональным, поскольку потребует существенного увеличения массы и габаритов полупроводникового коммутатора.

Противоречивые требования макси мальных энергетических показателей и устойчивости, а также минимальных углов пространственного рассогласования в рамках известной функциональ ной схемы электропривода удовлетворить невозможно.

Цель изобретения - упрощение, повышение энергетических показателей и устойчивости работы электропривода в переходных процессах.

Поставленная цель достигается тем, что в электроприводе, содержащем два электродвигателя, каждый из

1001420 которых выполнен на базе синхронной машины с установленным на ее валу многоканальным датчиком положения ротора и размещенной на статоре Ю

-секционной якорной обмоткой, секции которой подключены к выходам полупроводникового коммутатора, к цепям управления ключей которого подключен широтно-импульсный регуля тор, и измеритель пространственного рассогласования .синхронно вращающихся механически несвязанных роторов электродвигателей, входы которого связаны с каналами датчиков положения ротора, а выходы - с управляющими входами широтно-импульсного ре- 15 гулятора, каждая синхронная машина снабжена дополнительной И -секционной якорной обмоткой, секции дополнительной обмотки первой синхронной машины соединены встречно с одноимен-7() ными секциями дополнительной обмотки другой сийхронной машины.

На фиг.,1 изображена блок=схема

;двухдвигательного электропривода, -на фиг. 2 — пример реализации иа элементах логики измерителя простран ственного рассогласования синхронно вращающихся механически несвязанных роторов электродвигателей, на фиг.3 и 4 - диаграммы напряжений в узлах двухпвигательного электронривода.

Электропривод (фиг. 1 ) содержащий два электродвигателя 1 и 2, каждый из которых выполнен на базе 35 синхронной машины 3 (4 ) с установленным на ее валу .многоканальным датчиком 5 (б ) положения ротора и размещенной на статоре шестисекционной якорной обмоткой 7 (8 ), три сек- 40 ции 9 (10 ), 11 (12), 13 (14). которой подключены к выходам полупроводникового коммутатора 15 (16) к цепям управления ключей 17 (18), 19 (20),, 21 (22), 23 (24), 25 (26 ), 27 (28 ), 45 которого подключен широтно-импульсный регулятор 29 (30). Электропривод содержит измеритель 31 пространственного рассогласования синхронно вращающихся механически несвязан ных роторов электродзигателей, входы

32 и 33 которого связаны с каналами

34 (35), 36 (37), 38 (39), 40 (41), 42 (43), 44 (45) датчиков 5 (6 ) положения ротора, а выходы 46 и 47 - с управляющими входами 48 и 49 широтно-импульсных регуляторов 29 и 30.

Каждая из оставшихся (трех ) секций

50 (51), 52 (53), 54 (55) якорной обмотки 7 (8 ) синхронной машины 3 (4) соединены встречно с одноименной 60

"секцией 51, 53, 55 (50, 52, 54) ,якорной обмотки 8 (7 ):другой синхронной машины 4 (3 ). Электродвигатели подключены к источнику питания 56 постоянного напряжения.

65 !

В рамках сформулированной функциОнальной схемы конструктивное выпол- нение электродвигателей может быть различно. В частности, синхронная машина может быть любого типа, например с возбуждением от постоянных магнитов с ироизвольным количеством секций якорной обмотки. Датчик положения ротора может быть любого из вестного типа, например индуктивный; с подмагничиванием. полупроводниковый коммутатор может быть любого типа, например трехфазный двухполупериодный, и реализован на любых полупроводниковых переключающих приборах, например на транзисторах.

Формы выполнения широтно-импульсных регуляторов 29, 30 и измерйтеля

31 также могут быть различны. На фиг. 2 для примера показана одна из возможных форм их конструктивного объединения, выполненная на элементах логики. В данном конкретном слу чае широтно-импульсные регуляторы 29 и 30 и измеритель 31 реализованы на двенадцати идентичных логических ячейках 57 - 68 по числу каналов датчиков 5 и 6 положения ротора. Каж- дая логическая ячейка, например 57 !

/б включает две двухвходовые логические схемы совпадения 69,70 (71;

72) и одну двухвходовую логическую схему ИЛИ 73 (74). Каждая логичес" кая ячейка например, 57 (68) имеет три входа, к которйм подключены каналы .34, .35, 37 (35,,34, 36 ) датчиков 5 и 6 положения ротора, и один выход, подключенный к цепи управления соответствующего ключа 17 (18) полупроводникового коммутатора ° Вхо дами каждой логической ячейки, например 57 (63) являются входы ло» гических схем 69, 70 71, 72 совпадения причем вторые входы этих ло. гических схем объединены, входом каждой логической ячейки, например

57 (63) служит выход логической схе мы ИЛИ 73 (74) ..Схема -подключения каналов датчиков 5 и 6 положения ротора к входам логических ячеек

57 — 68 изображена на фиг. 2. В схе ме подключения каналов датчиков 5 и. б положения ротора к входам логичес ких ячеек 57 — 68 усматривается за-:. кономерность. Эта закономерность заключается в том, что для логической ячейки, например, 57 (63), связанной с цепью управления ключа 17,(18) полупроводникового коммутатора

15. 16,кобьединеннымвходам логических схем 69, 70 71; 72 -совпадения логической ячейки 57 (63) подключен соответствующий этому каналу 17(18) канал 34 .(35) собственного датчика

5 6) положения ротора, а к двум другим входам логических схем 69, 70,(71, 72) совпадения подключены

1001420 каналы датчика б (5) положения рото- ра другого электродвигателя 2 (1): одноименный с указанным, т.е. 35 (34)

/ и следующий по направлению движения ротора электродвигателя, т.е. 37 .(36)

Укаэанная закономерность подключения распространяется на каждую тройку логических ячеек 57 — 59, 60 — 62, 63 — 65, 66 — 68 и, соответственно на каждую тройку каналов 34, 36, 38

l40, 42, 44, 35, 37, 39 и 41, 43, 45 10 датчиков 5 и б положения ротора.

Это,обеспечивается тем, что конец сигнала в третьем канале каждой тройки каналов совпадает с началом сигнала в первом канале этой тройки. 15 т \

Такая форма выполнения.аиротноимпульсных регуляторов 29 и 30 и измерителя 31 обеспечивает преобразование каждого сигнала датчика положения ротора опережающего в простран-20 ственном отношении электродвигателя в ,сигнал с задержанным передним фронтом на интервал времени, соответст.вующий углу пространственного рас согласования 6 между ротором данно- д ro электродвигателя и ротором от стающего электродвигателя.

Электропривод работает следующим образом.

Предположим, что роторы идентич-, ных синхронных машин вращаются синхронно и синфазно. В этом случае сйгналы с датчиков 5 и 6 положения ротора поступают на соответствующие им,цепи управления ключей полупро- 35 водниковых коммутаторов 15 и 16 без каких-либо преобразований. Электро- двигатели работают в режиме вентильных электродвигателей, управляемых по сигналам собственных датчиков 40 положения ротора. Наведецные в секциях 50, 52, 54 и. 51, 53, 55,синхронных машин 3 и 4 ЭДС равны по величине. Эа счет встречного включения одноименных секций, например, 45 секций 50 и 51 синхронных машин 3 и 4, эти ЭДС взаимно компенсируются и токи в контурах, образованных ., упомянутыми секциями 50 — 55, отсутствуют.

В установившемся режиме работы синхронных машин 3 и 4 в общем случае вращаются синхронно, но несинфазно. Предположим, что.ротор синхронной машины 4 отстает от ротора синхронной машины 3 на угол

Сигналы U ()Зь, Озв ° 04о f 04г. ° 044 вканалах 34,,ЗЬ, 38, 40, 42, 44 . датчика 5 положения ротора опережают в пространственном отношении одноименные, с ними сигналы Оу,Vqq,Uyy, 60

04, 04, (34 в каналах 35, 37, ЗУ, . 41, 43, 45 датчика б положения ротора на угол 5 (фиг. 3). Преобразование сигналов в данном случае будет осуществляться в каналах 34, 36, 38 65

40, 42, 44 датчика 5 положения рото. ра. Логические ячейки 57 — 62 осуществляют преобразование каждого сигнала датчика 5 положения ротора в сигнал с задержанным передним фронтом на интервал времени, соответствующий углу пространственного рассогласования. В цепи управления ключей 17, 19, 21, 23, 25 полупроводникового коммутатора 15 поступают преобразованные таким образом сигналы Цч, Uqy, О „, U >, Л2 . Линейное напряжение 9 и 11 на секциях

9 и 11 якорной обмотки 7 имеет вид, изображенный, на фиг. 3. Опережающий электродвигатель 1 работает в квазиустановившемся режиме: разгон (режим веитилвиого влектроивигатели)— торможение на выбеге (режим отключения от источника питания).

В цепи управления ключей 18, 20, 22, 24, 26, 28 полупроводникового коммутатора 16 поступают непреобразованные сигналы каналов 35, 37, 39, 41, 43, 45 датчика б положения ротора. Линейное напряжение Л 10, 12 на секциях 10 и 12 якорной обмотки

8 имеет вид, изображенный на фиг.3 пунктиром. Отстающий электродвигатель 2 работает в режиме вентильного электродвигателя на естественной характеристике.

Наведенные в секциях 50 — 55 синхронных машин 3 и 4 ЭДС равны по величине, поскольку роторы электродвигателей вращаются синхронно.

Однако теперь ЭДС одноименных секций смещены друг относительно друга из синфазного- положения на угол пространственного рассогласования Д.

Теперь уже они не компенсируют друг друга и в контурах, образованных укаэанными секциями, возникают ре зультирующие ЭДС Ед и протекают уравнительные токи l . На фиг. 4 показаны линейные ЭДС Л 50, 52 и

Л 51, 53 на секциях 50, 52 и 51, 53 якорных обмоток 7 и 8 синхронных машин 3 и 4, результирующая ЭДС Е в контуре 50, 52, 53, 51 и протекающий в ней уравнительный ток 1д. Из-за индуктивного характера сопротивления секций якорных обмоток уравнительный ток 1д отстает по фазе на угол от результирующей эДС Е .

Результирующая ЭДС Ед опережает

ЭДС Л 50, 52 на, yro ->/g, и отстает от ЭДС Л 51, 53 íà тот же угол1С-Alt2.

Уравнительный ток 1 опережает ЭДС

Л 50, 52 опережающего в пространственном отношении электродвигателя

1 на уголД„"=+- f и отстает от ЭДС

Л 51, 53 отстающего в пространственном отношении электродвигателя 2 на угол (К=Я- (Я вЂ” - - g). = 7а -.К

Если индуктивное сопротивление секций якорной обмотки значительно

-1001420 больше ее активного сопротивления, то угол O стремится к Ц2.,((а ф ид -K6i4.4/Ц . Значение углов . д невелики, поэтому уравнительный ток (, практически находится в фазе с ЭДС

Л 50, 52 и в противофазе с ЭДС Л 51, 53, в результате чего секции 50, 52 . якорной .обмотки 7 опережающего электродвигателя 1 находятся в режиме генератора, т.е. отдают электричес- кую мощность, а секции 51, 53 якорной обмотки 8 отстающего электродви- гателя 2 находятся в режиме двигателя, т.е. потребляют электричес-.. кую мощность от секций 50, 52; Такой режим работы электропривода в части 15 создания синхронизирующего момента является с точки зрения энергети,ческих характеристик наиболее эф:фективным, поскольку не связан с каким-либо дополнительйыми преоб- р ,разованиями электрической энергии.

Таким образом, отстающий в пространственном отношении электродви.гатель подвергается управляющему воздействию, поскольку секции 51, 53 создают. на валу дополнительный вращающий момент д к основному-вращающему моменту. Секции 50 и 52 работают в генераторном режиме,т.е ° добавляют к меньшему моменту нагрузки на валу электродвигателя.1 тормозной момент. Благодаря этому оба электродвигателя 1 и 2 будут нагружены одинаково.

Если индуктивное сопротивление 35 секции якорной обмотки соизмеримо ,с ее активным сопротивлением, та угол .Ф . стремится к 1цф,Д -КЩ4-4/2) и

f<-Ê(ú 4(<+>/2) . Характер режимов работы опережающего и отстающего в 40 пространственном отношении электро: двигателей не изменяется. При этом изменяются лишь величины генератор- . ного и двигательного моментов, развиваемых встречно включенными сек- 45 циями. Таким образом, встречное включение одноименных секций 50, 52

54 и 51, 53, 55 якорных обмоток 7 и 8 синхронных машин 3 и 4 обеспечивает создание синхронизирующего момента в электронриводе.

Вышеуказанный режим работы электi ропривода не в полной мере раскрывает положительныйэффект,вносимый встречным включениемодноименных сек- . ций электродвигателей,так как цель это-55 го режима физику протекающихпроцессов и высокие энергетические характеристики электропривода, В переходных процессах(Щ= а,h-gyk) которые при отсутствии встречного 60 включения секций носят колебательный долгозатухающий характер, при значительных величинах углов gi пространственного рассогласования в полной мере проявляется демпфирую- 65 щее действие встречно включенных секций якорных обмоток. Здесь Olg; и Юз — средние частоты вращения электродвигателей.

Из простых геометрических соотношений- величину результирующей ЭДС

Е определяют следующим образом

Eд= Иж Гл ь/2 тде E> — линейная ЭДС Л 50, 52.

При угле Ь= R/3 результирующая ,ЭДС E > = Е и в контуре секций 50, 52, 53, 51 протекает уравнительный ток, ограниченный лишь полными сопротивлениями секций, образующими этот контур. В укаэанном контуре организации синхронизирующего момента отсутствуют ключи полупроводникового коммутатора и поэтому в нем могут быть допущены значительные токи, максимальные значения которых ограничены допустимой плотностью тока в обмотке °

Встречное включение одноименных секций электродвигателей обеспечи-вает создание генераторного (тормозного) момента на валу опережаю щего электродвигателя и дополнительного двигательного на валу от-, стающего, что уменьшает величину уг ла пространственного рассогласова:ния. В переходном режиме в каждый полупериод колебательного процесса укаэанные режимы работы электродвигателей чередуются, обеспечивая в каждый полупериод эффективное монотонно возрастающее в функции угла рассогласования демпфирующее дей-. ствие в электроприводе.

Экспериментальные исследования показывают, что время переходного процесса при сбросе и наборе нагруз-, ки на одном из электродвигателей прй наличии встречно включенных секций электродвигателей уменьшается при прочих равных условиях в 5-8 раз..

При пуске синхронизирующее дейст вие встречно включенных секций электродвигателей отсутствует, поскольку .

:"наведенные в.них ЭДС равны нулю.Синхро низирующий момент обеспечивается-за: счет действия широтно-импульсных регуляторов 29 и 30 измерителя 31.

Однако в процессе пуска, который также при отсутствии встречно вклю ченных секций электродвигателей но.сит колебательный долгонезатухающий характер, демпфирующее плавно

:нарастающее с ростом частоты вращения действие указанных секций уменьшает щаплитуду и продолжитель,ность колебаний угла пространственного рассогласования.

Количество встречно включенных секций непринципиально. Они могут быть гальванически развязаны от ос-. новных секций якорной обмотки (фиг.g или же иметь с ними;электрическое

12 соединения, например, с общим нулевым выводом в схемах однополупериодных полупроводниковых коммутаторов.

Выбор обмоточных данных указанных секций является расчетной задачей и определяется конкретным схемотехническим выполнением широтноимпульсных регуляторов и измерителя про<. транственного рассогласования ,и требованиями к качеству переходных процессов в электроприводе.

Изобретение характеризуется простотой, повышает энергетические показатели и устойчивость работы в переходных режимах электропривода.

Формула изобретения

Многодвигательный электропривод, содержащий два электродвигателя, каж-. дый из которых выполнен на базе синхронной машины с установленным на ее валу многоканальным датчиком положения ротора и размещенной на статоре щ -секционной якорной обмоткой,, секции которой подключены к выходам полупроводникового коммутатора, к цепям управления ключей которого подключен широтно-импульсный регу:лятор, и измеритель пространствен ного рассогласования синхронно вра щающихся, механически несвязанных роторов электродвигателей, входы ко торого связаны с каналами датчиков положения ротора, а выходы — с уп5 равляющими входами широтно-импульсного регулятора, о т л и ч а ю— шийся тем, .что; с целью упрощения, повышения энергетических показателей, и устойчивости работы

lQ электропривода в переходных режимах, каждая синхронная машина снабжена дополнительной М -секционной якорной обмоткой, секции дополнительной обмотки первой синхронной машины соединены встречно с одноименными секциями дополнительной обмотки другой синt хронной машины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 395956, кл. Н 02 Р 7/68, 1973

2. Авторское свидетельство СССР

Р 692050, кл. Н 02 Р 7/68, 1977.

3. Ивоботенко Б.A., Лозенко B.Ê.

Перспективы применения магнитоэлектрических вентильных двигателей в многодвигательном электроприводе.

Сб. "Применение йостоянных магнитов в электрических машинах, аппаратах и приборах". Труды МЭИ, вып. 416, ЗО М., 1979, с. 24-32.

1001420 оо ю

1001420

Составитель 31.Краснов .Редактор Н.Ковалева Техред А.Ач Корректор И.Ватрушкина

Заказ 1441/72 Тираж á85 Подписное

ВНИИПИ Государственного комйтета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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