Вентильный электродвигатель

 

(19)RU(11)1074361(13)C(51)  МПК ⁶    _H02K29/00Статус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина:

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в устройствах, где необходимы двигатели высокой надежности. Известен вентильный электродвигатель (ВД), имеющий статорную обмотку из трех секций. Вращение ротора этого двигателя осуществляется за счет последовательного возбуждения секций обмотки. Сигналы, наводимые при вращении ротора, снимаются с секций статорной обмотки и используются в качестве сигналов положения ротора, подаваемых на мультивибраторы. Мультивибраторы соединены между собой по кольцевой схеме и предназначены для управления секциями статорной обмотки. Однако данный ВД не надежен в работе, поскольку в нем отсутствует узел, определяющий положение ротора, и схема запуска двигателя. Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче к изобретению является ВД. Этот ВД содержит узел амплитудно-временного преобразования (АВП), преобразующий ЭДС, наведенную от вращения ротора в силовых секциях во временной интервал, который соответствует принятому углу коммутации. Короткие импульсы с выхода узла АВП тактируют кольцевой счетчик, который управляет узлом усиления мощности и схемой выборки напряжения, наведенного в неподключенной секции двигателя. При возбуждении одной секции напряжение снимается с выбранной незапитанной секции, интегрируется и сравнивается с опорным напряжением. В случае его превышения на выходе узла АВП формируется короткий импульс, сдвигающий на один разряд кольцевой счетчик, возбуждается следующая секция, а интегратор возвращается в исходное состояние. Таким образом, узел АВП, связывающий секции ВД с кольцевым счетчиком и состоящий из последовательно связанных ключей выборки напряжения, суммирующего усилителя, ключей выборки полярности, инвертора, выпрямителя, интегратора, компаратора, формирователя коротких импульсов, дифференцирующей цепи, определяет оптимальное положение ротора независимо от скорости вращения. Для запуска двигателя на один из входов интегратора подается напряжение смещения, которое обеспечивает формирование коротких импульсов с выхода узла АВП на интервале времени, когда отсутствуют сигналы на входе узла АВП (ротор остановлен или вращается с малой скоростью). Этот ВД обладает существенными недостатками. Напряжение смещения, подаваемое на вход интегратора и определяющее начальные условия запуска двигателя, совершенно недостаточно для надежного пуска ВД. Это напряжение, являясь необходимым условием запуска, обеспечивает на интервале разгона двигателя на выходе узла АВП лишь непрерывную последовательность коротких импульсов с постоянной скважностью. ВД обладает конечной электромеханической постоянной. Поэтому уже на начальном этапе разгона (даже, если ротор начал вращение в правильном направлении) из-за постоянной скважности выходных импульсов узла АВП и инерционности ротора происходит, как правило, выход ротора из оптимального положения. При этом ток двигателя резко растет и ротор останавливается. Если же выбирать величину вращения на входе интегратора такой, при которой можно обеспечить на выходе узла АВП последовательность импульсов с большой скважностью, то двигатель, начав разгоняться, так и не достигнет номинальной скорости вращения, поскольку при этом сигналы на входе узла АВП малы по величине и существенно не изменят заряда на емкости интегратора, а значит и не изменят скорости двигателя. Если при пуске двигателя ротор начинает вращение в неправильном направлении, то через несколько тактов коммутации он останавливается, ток двигателя резко растет и запуск срывается. К тому же, при принятом алгоритме коммутации силовых секций в трехсекционном ВД существует вероятность возникновения сквозных токов в мостовом инверторе (усилителе мощности), что снижает надежность работы двигателя в номинальном режиме. Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы двигателя. Поставленная цель достигается тем, что в ВД, содержащем m-секционную обмотку якоря, концы секций которой связаны с информационными входами узла АВП, состоящего из последовательно связанных по входу-выходу ключей выборки напряжения, суммирующего усилителя, ключей выборки полярности, инвертора, выпрямителя, интегратора, компаратора, формирователя коротких импульсов и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом n-разрядного кольцевого счетчика с шифратором, выходы которого связаны с входами узла выборки и усилителя мощности, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами узла АВП и концами секций, а для запуска двигателя используется постоянное напряжение смещения, подаваемое на один из входов интегратора. В узел АВП, между выходом интегратора и входом компаратора, введены регулятор тока и ключ с интегрирующей цепью, между началами силовых секций и входами блокировки шифратора указанного счетчика и ключа с интегрирующей цепью введен узел повторного запуска, состоящий из последовательно связанных согласующего устройства, порогового устройства и формирователя длинных импульсов, причем вход ключа с интегрирующей цепью, связанного с цепью "Пуск двигателя", соединен с указанным напряжением смещения, подаваемым на интегратор, а выход интегрирующей цепи соединен с управляющим входом регулятора. Таким образом, скважность выходных импульсов компаратора обратно пропорциональна напряжению интегрирующей цепи на интервале разгона двигателя. Повышение надежности ВД без датчиков положения (ДП) достигается за счет применения в узле АВП ключа с интегрирующей цепью и активного резистора, обеспечивающих на интервале разгона двигателя плавное уменьшение скважности выходных импульсов узла АВП, а также за счет применения узла повторного запуска, обеспечивающего надежный пуск двигателя при неправильном начальном вращении ротора или его заклинивании. На фиг.1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 принципиальная схема электродвигателя; на фиг.3 эпюры управляющих сигналов для алгоритма коммутации силовых ключей в трехсекционном двигателе с реверсивным питанием секций и межкоммутационным периодом α_к π/3. В таблице приведен алгоритм коммутации силовых секций трехсекционного ВД без ДП, обеспечивающий за шесть тактов кольцевого счетчика оборот ротора в πрад. ВД содержит узел амплитудно-временного преобразования 1, кольцевой счетчик с шифратором 2, узел выборки 3, усилитель мощности 4, обмотку электродвигателя 5, узел повторного запуска 6, ключи выборки напряжения 7-9, ключи выборки полярности 10, 11, суммирующий усилитель 12, инвертор 13, выпрямитель 14, интегратор 15, регулятор тока 16, ключ с интегрирующей цепью 17, компаратор 18, формирователь коротких импульсов 19, дифференцирующую цепь 20, кольцевой счетчик 21, шифратор 22, согласующее устройство 23, пороговое устройство 24, формирователь длинных импульсов 25 (фиг.1, фиг.2). По сигналу "пуск двигателя" напряжение смещения поступает через ключ на интегрирующую цепь 17, емкость которой начинает медленно заряжаться. По мере заряда этой емкости сопротивление регулятора тока 16 уменьшается, поэтому скважность импульсов, формируемых компаратором 18, плавно уменьшается от Q_max (соответствует начальным условиям запуска двигателя) до Q_ном (соответствует номинальной скорости вращения). В исходном положении все разряды кольцевого счетчика 21 обнулены, кроме последнего разряда α*. Инверсным состоянием последнего разряда через разблокированный шифратор 22 сигналы управления поступают на пятый и четвертый входы усилителя мощности 4 и на соответствующие входы узла выборки 3 (фиг.2). Последний формирует сигнал выборки напряжения α, который открывает ключ 7, и сигнал выборки полярности "+", который открывает ключ 11. При этом ток от источника питания "+Е_пит." протекает через третью и вторую силовые секции двигателя. Этот ток создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем ротора. Ротор начинает поворачиваться и при этом наводит в первой (незапитанной) секции ЭДС Е₁, которая через открытый ключ 7 поступает на усилитель 12 и далее через ключ 11 (открытый сигналом "+"), выпрямитель 14 интегрируется интегратором 15. Если интеграл наведенной ЭДС достигает уровня порогового напряжения Е_n1, которое подается на компаратор 18, то это означает, что ротор двигателя занял определенное положение (точнее магнитные оси ротора ориентированы соответственным образом по отношению к секциям двигателя). При этом выходным сигналом формирователя 19 интегратор 15 приводится в исходное состояние, а дифференцирующая цепь 20 выдает импульс на тактовый вход счетчика 21. Логическая "1" из последнего разряда счетчика 21 переносится в первый разряд β*, поэтому с выхода шифратора на узел 4 поступает управляющий сигнал на включение следующей пары силовых секций двигателя (пятый и второй входы узла 4), а с выхода узла выборки формируются сигналы "I" и "-", которые открывают соответственно ключи 8 и 10. На этом такте коммутации ток протекает через третью и первую силовые секции, а ЭДС наводится во второй секции. При этом знак этой ЭДС меняется, поэтому для ее нормального детектирования требуется инверсия (инвертор 13). После детектирования, интегрирования и сравнения Е₂ с выхода узла АВП поступает сигнал на подключение следующей пары силовых секций. Этот алгоритм повторяется через каждые шесть тактов кольцевого счетчика 21 и за двенадцать тактов осуществляется полный оборот четырехполюсного ротора (см. таблицу). Изменение скорости вращения ротора вызывает изменение времени интегрирования наведенной ЭДС (т.к. при этом меняется амплитуда этой ЭДС) и соответствующее изменение выходной частоты. Для надежного запуска ВД используется постоянное напряжение смещения Е_см, подаваемое на один из входов интегратора 15, ключ с интегрирующей цепью 17, активный резистор 16, а также узел повторного запуска 6. Напряжение смещения, ключ с интегрирующей цепью 17 и активный резистор 16 обеспечивают плавный разгон ВД от нулевой скорости до номинальной так, как описано выше. Пpи разгоне ротор двигателя непрерывно и плавно достигает оптимального положения (т.е. такого, при котором ток двигателя на достигнутой скорости минимален), что невозможно без использования узлов 16 и 17, обеспечивающих плавное уменьшение скважности выходных импульсов узла АВП на интервале разгона двигателя. Пусть ротор в начальный момент пуска начал вращение в неправильном направлении. Кольцевой счетчик тактируется в одном направлении. Поэтому ротор через несколько тактов останавливается, ток двигателя резко растет (т.к. ротор находится не в оптимальном положении) и с узла ограничения тока (на чертежах не показан) через шифратор на верхние транзисторы узла 4 поступают импульсы, отключающие эти транзисторы от источника питания "+Е_пит.". При этом потенциал средней точки силовой обмотки (начала силовых секций соединены) будет уменьшаться. На это изменение потенциала срабатывает пороговое устройство 24, выходной сигнал которого поступает на формирователь длинных импульсов 25, отключающий через шифратор верхние транзисторы усилителя мощности 4 от источника питания, и блокирующий ключ с интегрирующей цепью 17. Ротор двигателя после этого отключения, благодаря инерции, займет другое положение, из которого, как только снимется блокировка шифратора и ключа с интегрирующей цепью, будет произведен повторный запуск двигателя. Настройкой согласующего устройства 23 и выбором величины порога Е₂ добиваются того, чтобы узел повторного запуска 6 не срабатывал от короткого броска пускового тока, а реагировал только на неправильное вращение ротора в момент пуска двигателя или же на заклинивание ротора. Для исключения сквозных токов в усилителе мощности 4 применено рациональное тактирование кольцевого счетчика 21, что также повышает надежность работы ВД (фиг.2 и 3).

Формула изобретения

ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий m секционную обмотку якоря, концы секций которой связаны с информационными входами амплитудно-временного преобразователя, состоящего из последовательно по входу-выходу связанных ключей выборки напряжения, суммирующего усилителя, ключей выборки полярности, инвертора, выпрямителя, интегратора, компаратора, формирователя коротких импульсов и дифференцирующей цепи, выход которой соединен с входом n разрядного кольцевого счетчика с шифратором, выходы которого связаны с входами узла выборки и усилителя мощности, выходы которых соединены с управляющими входами амплитудно-временного преобразователя и концами секций обмотки якоря, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе двигателя, в амплитудно-временной преобразователь между выходом интегратора и входом компаратора введены регулятор тока и ключ с интегрирующей цепью, а между началами силовых секций и входами блокировки шифратора счетчика и ключа с интегрирующей цепью введен узел повторного запуска, состоящий из последовательно связанных согласующего устройства, порогового устройства и формирователя длинных импульсов, причем вход ключа с интегрирующей цепью соединен с одним из входов интегратора, а выход интегрирующей цепи связан с управляющим входом регулятора тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 5-2002

Извещение опубликовано: 20.02.2002        

---