Реверсивный вентильный электродвигатель

 

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТЮДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, тор с обмоткой якоря, секции которой сое нены с выходом однополярного полупрово никового коммутатора, управляющие цепи SU,,,, 1046864 3

СО1ОЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИЛЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3433406/24-07 (22) 06.05.82 (46) 07.10.83. Бюл. Р 37 (72) Ю.П..Лукин, А,Г. Микеров 1и Г.E. Xoxa (53) 621.313.13.01 4.2:621.382 (088.8) (56) 1. Патент США И 3531702, кл. Н 02 К 29 00, 1970.

2. Патент CI6A У 4088932, кл. 318-138, 1978. (54) (57) РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополярного полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, блок изменения модуля скорости, выполненный в виде выпрямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр низких частот, задатчнк скорости вращения, сумматор, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости, он снаб, жен дополнительно блоком изменения знака и дифференцнрующим звеном, причем блок изменения знака подключен между выходом фильтра и первым входом сумматора, его управляющий вход подключен к выходу задатчика скорости, связанному через дифференцируюшее звено с вторым входом сумматора.

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим двигателем постоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью нолуп водниковых приборов, и может быть использовано, преимущественно, в электрических машинах, работающих в качестве реверсивных моментных двигателей систем управления объектов различного назначения со стабилизированной скоростью вращения.

Известен реверсивный вентильный. электродвигатель, содержагций ротор, статор, датчик положения ротора (ДП) и электронный коммутатор, в котором коммутация секции якоря осуществляется дискретно по сигналам ДП импульсного типа (1), Недостатком такого электродвигателя является нестабильность скорости вращения, вызванная пульсацией вращающего момента всле ствие дискретности коммутации.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является реверсивный. вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, управляющие цени ключей которого соединены с выходом датчика поло:жения ротора, блок измерения модуля скорости вращения, выполненный в виде выпрямителя фазных ЗДС, нагруженного на фильтр, задатчик скорости и сумматор (2), Недостаток известного двигателя заключается в низкой устойчивости работы при реверсе.

Цель изобретения - повышение устойчивости работы двигателя.

Поставленная цель достигается тем, что известный реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополярного полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, блок измерения модуля скорости, выполненный в виде выпрямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр низких частот, задатчик скорости вращения и сумматор, дополнительно снабжен блоком изменения знака и дифференцирующим звеном, причем блок изменения знака подключен между выходом фильтра и первым входом сумматора, его управляющий вход подключен к выходу задатчика скорости, связанному через дифференцирующее звено с вторым входом сумматора.

На фиг. 1 представлена функциональная схема реверсивного вентильного двигателя; на фиг. 2 - пример схемы однополярного усилителя постоянного тока; на фиг. 3 - часть принципиальной электрической схемы реверсив1046864 2 ного вентильного двигателя, на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняюшие работу устройства при одностороннем вращении; на ро фиг, 5 - то же, нри реверсе.

Реверсивный вентильный электродвигатель содержит (фиг.1) задатчик 1 скорости с выходом на постоянном токе, модулятор 2, двухфазную синхронную машину 3 с постоянными магнитами на роторе 4 и двумя секциями 5

10 и 6 обмотки якоря, расположенной на статоре, а также синусо-косинусный вращающийся трансформатор 7 (являющийся датчиком положения ротора 4), первичная обмотка 8 которого подключена к выходу модулятора 2, а вторичные синусная 9 и косинусная 10 обмотки через фазочувствительные выпрямители 11 и 12 и усилители 13 и 14 постоянного тока подключены к первым выводам 15 и 16 секций д- 5 и 6 обмотки якоря, Вентильный двигатель дополнительно снабжен последовательно включенными блоком 17 измерения модуля скорости вращения, блоком

18 изменения знака, образующими тахометрическую обратную связь и подключенными к первому входу дополнительно веденного элемента 19 сравнения, а также дифференцирую)щим звеном 20, включенным между задатчиком 1 скорости н вторым входом элемента

19 сравнения. Управляющий вход блока 18 изменения знака через релейный элемент 21

30 также подключен к выходу задатчика 1 скорости. Кроме того средние точки каждой секции 5 и 6 обмотки якоря синхронного двигателя 3 соединены с общей шиной 22, а вторые выводы 23 н 24 соединены через дополнительные усилители 25 и 26 постоянного тока и последовательно с ними включенные инверторы 27 и 28 с выходами соответствующих фаэочувствительных выпрямителей 11 и 12.

Все усилители 13, 14, 25 и 26 выполнены од40 нополярными, т.е. нх выходные напряжения имеют один знак, Блок 17 измерения модуля скорости вращения выполнен в виде четырех диодов 2932, отрицательные электроды которых подклю45 чены к выводам 15. 23, 16 и 24 секций 5 и

6 якоря, а положительные электроды соединены вместе и подключены к фильтру 33 нижних частот, выполненному, например, в виде

ЯС=или бС-=фильтра. Направление включения

50 диодов 29, 30, 31 и 32, указанное на фиг. 1, соответствует случаю положительной полярности (относительно общей шины 22) напряжений на выходах однополярных усилителей

13, 14, 25 и 26. В случае применения усилителей 13, 14, 25 и 26 постоянного тока с отрицательной полярностью выходных напряжений направление включения диодов 29 - 32 должно быть изменено на противоположное.

3 10

Однополярные усилители 13, 14, 25 и 26 могут быть выполнены, например, в виде операционного усилителя 34, (фиг.2), входы которого через резисторы 35 и 36 соединены соответственно с инвертирующим 37 (вход II ) и неинвертирующим 38 (вход I) входами усилителя, а выход через транзисторы 39 и

40 подключен к выводу 15 секции 5 обмотки якоря синхронного двигателя 3. Резисторы 41. и 42 служат для выбора рабочих режимов транзисторов 39 и 40, а резистор 43 образует цепь отрицательной обратной связи. Транзистор 40 подключен к источнику питания положительной полярности+ О,. При этом выход фазочувствительного выпрямителя 11 должен быть подключен к неинвертирующему входу 38, а инвертирующий вход 37 должен быть соединен с общей шиной 22. Аналогично выполнены и усилители 14, 25 и 26. Инверторы

27 и 28 выполняются, например, на операционном усилителе. Однако вместо инверторов 27 и 28 может быть использован инвертирующий вход 37 (вход II) усилителей 25 и 26. При этом неинвертирующий вход 38 (вход Т) этих усилителей должен быть соединен с общей шиной 22.

Блок 18 изменения знака (фиг. 3) содер. скит операционный уеилитель 44 с единичным коэффициентом усиления, оба входа которого соединены с выходом фильтра 33 нижних частот, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной 22 через ключ, выполненный на транзисторе 45. База транзистора 45 через релейиый элемент 21, выполненный на компараторе 46, подключена к выходу задатчика 1 ско. рости. Элементом 19 сравнения служит операционный усилитель 47, а дифференцирующая цепь выполнена, например, на резисторе 48 и конденсаторе 49.

Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Сигнал уставки скорости О, (фиг. 1), выработанный задатчиком 1 скорости, пройдя через дифференцирующую цепь 20, сравнивается в элементе 19 сравнения с сигналом обратной связи Оос. Полученный при этом сигнал ошибки 08 поступает через модулятор 2 на первичную обмотку 8 вращающегося трансформатора 7, в результате чего на его вторичных обмотках 9 и 10 вырабатываются напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону, но сдвинутые друг относительно друга на

90 эл. град. Пройдя через соответствующие фазочувствительные выпрямители 11 и 12, эти напряжения (0 и Ов ) (фиг. 4 g и Ь ) поступают на усилители 13, 14, 25 и 26. Так как усилители имеют однополярный положительный выход (фиг, 2), то на выходах усилителей 13 и 14 появляется напряжение толь46864 4 ко при положительной полуволне входных напряжений 0 и U, а на выходах усилителей

25 и 26 (которые включены через инверторы

27 и 28) - только при отрицательной полуволне входных напряжении О и Ое (фиг. 4с-4 эти рабочие полуволны выходных напряжений показаны сплошной линией и заштрихованы).

В друтие полупериоды соответствующие усилители закрыты и на их выходах напряжения отсутствуют. Так как секции 5 и 6 обмотки якоря сдвинуты одна относительно другой на

90 эл. град., а половины этих секций включены встречно, то каждая секция создает магнитный поток, изменяющийся по гармоническому закону. Сумма этих потоков образует вращающееся магнитное лоле в расточке статора взаимодействие которого с полем, образуемым постоянными магнитами ротора 4; создает постоянный вращающий момент электродвига- теля, приводящий его ротор 4 во вращение.

Таким образом, в рабочие полупериоды (на фнг. 4 С заштрихованы) напряжения О, U, V,è 04 обеспечивают непрерывное вращеНМе ротора 4 синхронного двигателя 3. В нера. бочие полупериоды в секциях 5 и 6 обмотки якоря наводятся ЭДС вращения отрицательной полярности (на фиг. 4 c f штриховая линия), которые через диоды 29 - 32 поступают на вход фильтра 33 нижних частот и суммируются на нем, образуя напряжение U (фиг. 4а ).

55

При реверсе вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Если предположить, что по момента т, (фпг. 5 g ) напряжение уставки скорости Uу

Среднее значение этого напряжения 0, выделенное фильтром 33 нижних частот и пропорциональное модулю скорости вращения ротора

4, поступает на блок 18 изменения знака. Если

35 предположить, что ключ, собранный на транзисторе 45 (фиг. 3), открывается напряжением отрицательной полярности и закрывается напряжением положительной, то при положительной полярности уставки напряжения U и ин40 вертирующем включении релейного элемента

21 транзистор 45 открыт, поэтому операционный усилитель 44 работает в ннвертирующем режиме,и напряжение обратной связи V =;0 имеет положительную полярность. При отрицательной полярности напряжения U ó уставки

45 скорости транзистор 45 закрыт, операционный усилитель 44 работает в неинвертирующем режиме и напряжение обратной связи Uo = Ub, т.е. имеет отрицательную полярность. Таким образом, знак напряжения обратной связи всегда совпадает со знаком напряжения уставки, поэтому напряжение Us на выходе элемента 19 сравнения (фиг. 3) пропорционально их разности. т.е. ошибке системы регулирования скорости.

1046864 положительно, то в момент реверса to оно меняет свой знак. Тогда напряжение 0> на выхрде дифференцирующего звена 20 имеет вид отрицательного импульса фиг. 5 b ) с экспоненциально спадающим задним фронтом. В момент реверса t напряжение обратной связи 0 также изменит свой знак (фиг. 5c ), потому что блок 18 реверса, работает таким образом, что знак Uo всегда соответствует знаку U> . Лалее вид напряжения. U отражает вид модуля ско- 10 рости вращения Я двигателя, которая определяется напряжением ошибки 05. Так как напряжение ошибки равно

U U,— — 0 то в момент рвверса это напряжение также будет иметь вид отрицательно экспоненциально спадающего импульса (на фиг. 5 показано штриховой линией). Фактически в связи с насыщением операционного усилителя 47 элемента19 сравнения (фиг. 3) напряжение ошибки 0 при реверсе в течение промежутка времени t< — t g ограничено некоторым . максимальным напряжением насыщения Ug „, (фиг. 5 d), которое приводит к ограничению выходных напряжений U1 — Qp усилителей

13, 14, 25 и 26 (фиг. 2). Насыщение может наступить и вследствие ограничений в модуляторе 2 или самих усилителях 13, 14, 25 и 26, причем его можно подобрать таким образом. что реверс двигателя в течение времени — t> сбудет производиться при максимальо но возможных выходных напряжениях усилителей 13, 14, 25 и 26. При этом скорость дви35 гателя Я эа время м, — t .1 уменьшится до нуля, а затем изменит свой знак (фиг. 5е ).

Подбирая параметры дифференцирующего звена 20 (например, резистора 48 и конденсатора 49 на фиг. 3), можно менять форму напряжения ошибки при реверсе, в частности период насыщения to — и тем самым наменять скорость переходного процесса и даже его форму, обеспечивая, например, переходный процесс с перерегулированием. При этом, как показал эксперимент, оптимальным является выбор постоянной времени дифференцирующе- го звена Т1„(0,5 — 1) Тзь„где Т вЂ” электромеханическая постоянная времени электродвигателя; .

Кроме того, экспериментальные исследования показали, что дифференцирующее звено не только изменяет параметры переходного процесса, но и предотвращает неустойчивую работу вентнльного электродвигателя. Действительно, если к моменту реверса to (фиг. 5) напряжение ошибки Ug имеет по какой — либо причине отрицательный знак (например, при наличии внешних возмущающих моментов нагруз. ки или других воздействий, вызывающих пуль.. сацию скорости вращения), то в момент реверса t напряжение ошибки 08изменяет свой о знак на положительный, что вызывает не торможение двигателя, а его разгон в том же направлении, вследствие чего скорость вращения

Я начинает возрастать. Это приводит к еще большему увеличению положительного значения напряжения ошибки и дальнейшему разгону двигателя вплоть до максимально возможной скорости, когда двигатель становится неуправляемым. Таким образом, при отсутствии дифференцирующего звена возможна неустойчивая работа двигателя при реверсе, При наличии днфференцирующего звена такая неустойчивость отсутствует, так как с учетом рассмотренного выше насыщения (фиг. Sd ) при реверсе цепь обратной связи перестает влиять на напряжение ошибки 0 и знак напряжения ошибки будет определяться только знаком напряжения уставки скорости U>. Ъ у

1046864

1046864

1046864

Составитель А. Санталов

Техрсд М.Гергель

Редактор Л. Филь

Корректор A.Пов

Заказ 7447/53

Тираж 687 Подписное

ВН И ИП И Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1)3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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