Стабилизированный вентильный электродвигатель

 

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с охоткой 51коря, фазы которой подключены к выходу полупроводниковоШо коммутатора, .управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и усилитель с цепью питания положения ротора, образуя схему отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, усилитель, вьшолнен в виде линейного расщирителя импульсов. 8

„„SU„„ l 007160

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

g g Н 02 К 29/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3295754/24 07 (22) 02. 06.81 (46) 23.03.83. Бюл. № 11 (72) В. М. Пименов и В. М. Никитин (71) Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (53) 621.313.13.014.2:621.382(088. 8), (56) 1. Двигатели постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами.

Сборник под ред. Овчинникова И. Е., Наука, Л., 1972, с. 153.

2. Патент ClllA ¹ 3864610, кл. 318 317, 1975 (54) (57) 1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ

ВЕНТИЛЬН ЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, фазы которой подключены к выходу полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и усилитель с цепью питания датчика положения ротора, образуя схему отрицательной обратной связи, о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью повышения точности, усилитель, выполнен в виде линейного

:расширителя импульсов.

100Т180

1О

2, Электродвигатель по п. 1, о тл и ч а ю шийся тем, что линейный расширитель импульсов выполнен в виде операционного усилителя, цепь отрицательной обратной связи которого содержит цепочку из параллельно соединенных

Изобретение относится к электротех нике, е именно к специальным электрическим машинам, и может использоваться в разработках систем стабилизирован ного по частоте вращения бесконтактного электропривода с источником электроэнергии постоянного тока.

Известны . стабилизированные вентильные электродвигатели (ВД), снабженные эталонным задающим генератором и логическим устройством. В этом устройстве двигатель вращается синхронно с частотой задающего генератора, а при воз действии возмущающих факторов логичесу кая часть устройства- осуществляет широтно-импульсное регулирование нап ряже-i ,ния на якорной обмотке в функции фазово. го рассогласования Р 1) .

Реализация высокой точности стабилизации частоты вращения достигнута за счет применения прецизионного задающего генератора, что ведет. к существенному усложнению ВД, увеличению его габаритов и стоимости.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению является стабилизированный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к выходу полупроводйикового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и усилитель с цепью питания датчика положения ро,гора, (ДПР) образуя схе.му отрицательной обратной связи 2 ) .

Данный ВД обладает высокой надежностью, достаточно прост в исполнении, но имеет невысокую точность стабилизации, ввиду наличия в управгикяцем органе полупроводникового выпрямителя и RCфильтра, параметры которых изменяются конденсатора и первого диода, соединенную последовательно со вторым диодом, общая точка первого и второго диодов соединена через третий диод,а неинвертируюшнй вход операционного усилителя через резистор - с источником постоянного напряжения. в широких пределах при колебаниях тем,пературы окружающей среды.

Бель изобретения — повышение точности стабилизации частоты вращения ВД.

Эта цель достигается тем, что в ста-. билизированном вентильном электродвигателе, содержащем ротор, статор с обмот-. кой якоря, секции которой подключены к выходу полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения,. тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и ycul литель с цепью питания датчика положения роаора, образуя схему отрицательной обратной связи, усилитель выполнен в виде линейного расширителя импульсов.

При этом линейный расширитель им20 пульсов может быть выполнен в виде операционного усилителя, цепь отрицательной обратной связи которого содержит. цепочку из параллельно соединенных конденсатора и первого диода, соединенную последовательно со вторым диодом, общая точка первого и второго диодов соединена через третий диод, а неинвертируюший вход операционного усилителя через резистор - с источником постоянного наЗО пряжени я.

На фиг. 1.представлена принципиаль» ная схема стабилизированного ВД; на иг. 2 - временные диаграммы работы его

:элементов, где О - управляющее напряг жение, 8 - противоЭДС, наводимая в секции якорной. обмотки, 0 -. входное на пряжение,компаратора, 0<> - напряжение иа выходе первого-усилителя временной задержки, Ug - выходное напряжение временной задержки, О у - напряжение на якорной обмотке электрической машины.

Источник 1 питания постоянного тока, электрическая машина 2 синхронного ти3 1007 па, с магнитоэлектрическим индуктором 3, коммута тор 4, фотоэлектрический датчик 5 положения ротора ДПР, исчячник 6 управляющего напряжения, компаратор 7, временная задержка 8, бесконтактный ключ 9.

Стабилизированный ВД представляет собой элеистромеханическое устройство, состоящее из обычного ВД и стабилиза- и тора частоты. Для определенности изложения принципа работы -устройства рассматривается трехфвзный ВД, содержащий электрическую машину 2 синхронного типа, с Вращающимся индуктором 3 и якорной 5 обмоткой на статоре, бесконтактный комМутатор 4 и фотоэлектрический ДПР 5.

Фазы А В, С якорной обмотки соединены в трехлучевую звезду и подключены ,между полюсом источника 1 питания и выходами транзисторных ключей 10-12, коммутатора 4. Фотоэлектрический llFIP состоит из трех чувствительных элементов 13-15 и диска с прорезями. Диск насаживается на вал электрической маши- ны, а светодиод и фотодиод, образующие чувствительный элемент, закрепляются относительно статора с разных сторон диска на уровне прорези. Чувствительные элементы 13-15 расположены по окруж- Зй ности через — геометрических граду ьо рм сов друг относительно друга. Число прорезей на диске равно числу пар полюсов индуктора. Ширина прорези равна геометрических градусов, здесь в — числ

PA/ фаз электрической машины. сл(3

Светодиоды соединены последовательно и в проводящем направлении подключены к полюсу источника питания через бесконтактный ключ 9. Фотодиод чувствитель4Î ного элемента, например 14, включен .между полюсом источника питания и вхб» дом транзисторного ключа 11 в запирающем направлении.

Стабилизатор частоты вращения состо 4% ит иэ соединенных последовательно компаpampa 7 напряжения, временной задержки 8 и бесконтактного ключа 9. В уст. ройстве использованы схемы компаратора и временной задержки, представляющие собой линейный расширитель импульсов, построенные на операционных. усилителях.

Компаратор въшолнен на одном усилителе, с .разом%нутой обратной связью. Времен- ная задержка — на двух усилителях 16 и 17, соединенных последовательно. Пер;вый усилитель 16 охвачен нелинейной обратной отрицательной связью, ображ ванной тремя диодами 18-20 и конденсатором 21. Два диода 18 и 19 соединены последовательно-согласно и подключены между выходсм и входом усилителя в проводящем направлении. Общая точка диодов соединена с общей точкой усилите=ля через третий диод 20 и с выходом усилителя через конденсатор. Второй уси- литель используется с разомкнутой .обраъной связью и выполняет функции индии тора полярности напряжения.

Бесконтактный ключ выполнен на одном транзисторе проводимости f => P включенном по схеме с общим эмиттером.

Входная цепь транзистора соединена с выходом временной задержки через токоограничительный резистор, а выходнаяс последовательно соединенными свето» диодами через балластный резистор 22.

Прямой вход компаратора подключен к секции якорной обмотки (фазе С), а ин вертируюший вход — к источнику управ-. ,ляющего напряжения 6.

Б

Питание усилителей может быть осуществлено от вспомогательного источника постоянного тока или преобразователя напряжения.

Стабилиэироданкый ВД работает следующим образом.

При включении устройства к инвертируюшему входу компаратора прикладывается управляющее напряжение положительной полярности. Потенциал напряжения на прямом входе компаратора равен нулю. Напряжение отрицательн ой полярности с выхода компаратора подается на вход временной задержки и с небольшим запаздыванием появляется на выходе последней. Выходным сигналом временной задержки открывается бесконтактный ключ. Через открытый бесконтактный ключ светодиоды чувствительных элемен« тов ДПР подключаются к источнику нита ния. Величина тока, протекающего через светодиод, ограничивается балластным резистором 22. Излучаемый светодиодами поток инфракрасного излучения через прорезь в диске облучает один из фото диодов, например, чувствительный элемент- 15, в зависимости от исходного положения ротора ВД. Сопротивление светодиода резко уменьшается, и проте каюшим через него током открывается транзисторный ключ 11 коммутатора..

Фаза Э якорной обмотки подключается к источнику питания. В. ней протекает ток, который взаимодействуя с полем индук тора, приводит ротор ВД во врашатель5 1007 ное движение, В процессе вращения ВД . светодиоды поочередно облучают фото диоды чувствительных элементов 13»15, за счет поворота, сочлененного с валом электрической машины риска с прорезью.

Происходит соответствующее переключение транзисторных ключей коммутатора, обеспечивающих подключение секций якорной обмотки к источнику питания. Положение чувствительных элементов ДПР относи- 10 тельно статора электрической машины регулируют таким образом, чтобы при включении секции в рабочее состояние развиваемый ее вращающий момент стал максимальным. 15

Под воздействием вращающего момен,та ВД разгоняется. B фазе С якорной обмотки наводится синусоидальная противоЭДС, которая прикладывается к прямому входу компаратора. j1o тех пор, 20 пока амплитуда противоЭДС меньше величины управляющего напряжения, синхронизатор частоты вращения будет находиться в исходном состоянии. При достижении заданной частоты вращения ВД 2$. амплитуда положительной полярности протцвоЭДС сравнивается и начинает превышать по величине уровень управляющего напряжения. В моменты превышения управ ляющего напряжения между входами ком- Зо паратора изменяется полярность напряжения. Компаратор переключается и ко. входу временной задержки прикладывается запускающий сигнал положительной полярности. Под действием запускающего сигнала происходит заряд конденсатора 21 временной задержки по цепи: выход уси- . лителя 16, конденсатор 21 и диод 20.

Ток заряда 1, конденсатора ограничиваеч ся выходным сопротивлением Р Sb1> усилителя 16. В момент заряда конденсатора напряжение на выходах усилителей изменяет свой знак, что приводит к запиранию бесконтактного ключа и отключению ВД от источника питания (светодиоды обесточиваются, транзисторные ключи коммутатора закрываются). По окончании процесса превышения компаратор переключается в исходное состояние, а временная задержка осуществляет запаздывание включения бесконтактного ключа. У вре50 менной задержки заряд конденсатора 21 сменяется разрядом, который происходит в режим< интегрирования усилителя 16.

Продолжительность разряда конденсатора

21 (длительность запаздывания временной задержки) определяется отношением накопленного заряда Q конденсатора к его разрядному току Ip . По истечении

160 6 задержки включается бесконтактный ключ и ВД подключается к источнику питания.

В следующий период частоты вращения поля индуктора вновь происходит аналогичный процесс, отличающийся лишь тем, что за счет еше продолжающегося разгона ВД увеличивается амплитуда противоЭДС и длительность превышения ее над управляющим напряжением, что ведет к увеличению длителвности врем епюй задержки и длительности обесточивания секции якорной обмотки. Количественно этот процесс можно выразить следующим соотношением.

Длительность разряда конденсатора 21 временной задержки равна где $ — длительность превьццения ампи литуды противоЭДС над управляющим напряжением;

0 — напряжение источника питания усилителей.

Длительность отключения т. ВД от источника питания слагается из длительностей заряда 4 и разряда 4 р конденсатора 21.

"Вх =,,= „,=, <+

ВЫХ

Описываемый процесс является периодической функцией частоты вращения поля индуктора т, поэтому в относительных единицах данное соотношение примет вид

Величина называется скважностью широтно-импульсной модуляции нап ряжения на якорной обмотке и отображает процесс регулирования питающего ВД напряжения при стабилизации частоты вращения.

В процессе увеличения длительности отключения ВД его вращающий момент уменьшается и наступает равновесие величины вращающего момента с моментом нагрузки, при котором ротор электрической, машины вращается с постоянной частотой, равной заданной. При колебаниях величины нагрузки или напряжения источника питания ВД происходит незначительное изменение частоты вращения и амплитуды противоЭДС, которое вызывает ре« гулирование скважностп напряжения на якорной обмотке, компенсирующее воздействие возмущающих факторов.

7 1007

Устройство обеспечивает высокую точность стабилизации частоты вращения ВД эа счет. возможности реализации высокого коэффициента усиления, в контуре широтноимщ льсного. регулирования напряжения, S определяемого кратностью входного со- противления к его выходному

"вх

К=)+ °

1Е ,Оля реально .достижимого в устройстве коэффициента усиления (К .1000) откло-. нение частоты вращения ВД AU / отно-. сительной заданной прн колебаниях нагрузки от холостого хода.до йоминальной. >> .составляет величину. меныцую одной десятой процента:

Сп )

Т.= т = k - Q,1 /-; 6Cd/ .-01 /. с ), О. .Кроме того, устройство слабо подвержено влиянию температуры окружающей . среды, ввиду подключения контролируемой цепи (секции якорной обмотки) непоср :ственно ко входу компаратора. В известных аналогичных устройствах в этой цеж включены полупроводниковый выпрямитель. и... .Ac -фильтр, обладаюшне невысокой температурной . стабильностью.

Быстродействие контура стабилизации

ВД определяется величиной задания часто. ты вращения, ввиду дискретности измере160 З ния контролируемой частоты вращения (противоЭДС секции). При необходимости быстродействие устройства может быть .повышено щтем применения W компара торов подключения их к И секциях якорной обмотки или за счет использования в качестве датчика частоты вращения многополюсного тахогенератрра переменного тока. Стабилизированный 4Щ аепе-. сообразно использовать в качестве гидро. двигателя силовых гироскопов, применяе-мых в космонавтике для ориентации спутников и станций. Достигнутая высокоточная ста6илизапия частоты вращения ротора гидродвигателя позввляет применить в этих аппаратах наиболее простую в конструктивном и схемном исполнении систему гидростабилизатора на базе двух. двухстепенных силовых гидроскопах.

Наибольший эффект ожидается от применения устройства в электроприводах лентопротяжных механизмов аппаратуры битого применения, например в кассет ных магнитофонах. За счет повышения . стабильности работы лентопротяжного механизма достигается улучшение качества записи и воспроизведения фонограмм, — основного показателя класса айцаратуры. Следовательно, можно осуществить выпуск аппаратуры более высо кого класса, без существенных конструктивных изменений ранее выпускаемой.

1007160

Составитель А.. Санталов

Редактор Н.. Пушненкова Техред А,Ач Корректор А. Дзятко

Заказ 2151/75 Тираж 685 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. Ф/5

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4