Вентильный электродвигатель

 

I. ВЕНТЙЛЬНЬЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ , содержащий Р-полюсный ротор, статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к нреобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управлякнцие цепи ко- S торого подключены к выходу блока импульсно-фазового управления вьшрямителем , инвертор и блок импульсно-фазового управления инвертором, а также блок регулирования, входы которого подключены к выходам тахогенерато . ра и импульснод о датчика положения ротора, а выходы - к первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блока регулирования выпрямленного тока подключен к выходу датчика постоянного тока, а его выход - к входу блока импульснофазового управления выпрямителем. отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет приближения формы фазного тока к форме фазной ЭДС, введены П управляемых вентильных мостов, которые включены между собой и управляемым мостом инверторА тока параллельно по цегм постоянного тока через дополнительно введенные ypasHfrтельные реакторы, а но цепи переменного тока - непосредственно, а также коммутатор, включенный между управляющими цепями инвертора и блоком импульсно-фазового закривления инвертором, при эеом второй вход блока импульсно-фазопого управления инвертором подключен к выходу датчика постоянного тока. 2. Электродвигатель по п., о т личающийся тем, что блок управления инвертором снабжен П -f 1 фазосдвигающиьш узлами и п сумматорами , объединенные первые входа которых и вход одного из фазосдвиганг :о щих узлов образуют первый вход блока импульсно-фазового управления инвертором , объединенные вторые входы ND сумматоров образуют второй вход блока импульсно-фазового управления инвертором, третьи входы сумматоров также объединены и предназначены для подключения к источнику опорного напряжения, а ыходы сумматоров подключены к входам фазосдвигающих узлов , выходы которых образуют выход блока импульсно-фазового управления инвертором.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

09) à)) 4(5) ) Н 02 К 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3635)09/24-07 (22) 19.08 83 (46) 23.0).85. Бюл. 9 3 (72) Н.С.Легостаев и В.Н.Мяпин (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (53) 621 ° 3)3.13.0)4.2.621.382(088.8) (56) ). Аракелян А.К. и др. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым иивертором.

N. "Энергия", 1977, с. 23-28 ° . 2. Авторское свидетельство СССР

В 995216, кл. Н 02 К 29/00, 1980. (54)(57) 1. ВЕНТИЛЬНЫй ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий Р-полюсный ротор, статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к нреобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управляющие цепи ко<торого подключены к выходу блока импульсно-фазового управления выпрямителем, инвертор и блок импульсно-фазового управления инвертором, а также блок регулирования, входы которого подключены к выходам тахогенерато. ра и импульсного датчика положения ротора, а выходы — к первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блока регулирования выпрямленного тока подключен к выходу датчика постоянного тока, а его выход - к входу блока импульснофазового управления выц, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет приближения форМа фазного тока к форме фазной ЭДС, введены П управляемых вентильных мостов,. которые включены между собой и управляемым мостом инвертора тока параллельно ао цепи постоянного тока через дрполнительно введенные уравни тельные реакторы, а но цепи переменного тока - непосредственно, а также коммутатор, включенный между управляющими цепями инвертора и блоком импульсно-фазового управления инвертором, при этом второй вход блока импульсно-фазового управления инвер- Я тором подключен к выходу датчика постоянного тока.

2. Электродвигатель по п,), о тл и ч а ю шийся тем, что блок управления инвертором снабжен 0 + 1 фазосдвигающими узлами и и сумматорами, объединенные первые входы которых и вход одного из фазосдвигаю" щих узлов образуют первый вход блока . импульсно-фазового управления инвертором, объединенные вторые входы сумматоров образуют второй вход блока импульсно-фазового управления инвертором, третьи входы сумматоров также объединены и предназначены для подключения к источнику опорного напряжения, а ыходы сумматоров подключены к входам фазосдвигающих узлов, выходы которых образуют выход блока импульсно-фазового управления инвертором. 1 36267

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям для регулируемого электропривода, и может найти применение в электроприводах металлорежущих станков и других механизмов.

Известен вентильный двигатель, содержащий ротор, якорь с обмоткой, секции которой подключены через инвертор к источнику регулируемого гО напряжения, а также датчик положения ротора, подключенный к блоку регулирования Ц.

Недостатком устройства являются низкие энергетические показатели из- 15 за несовпадения формы фазиого тока и формы ЗДС.

Наиболее близким к изобретению по

-технической сущности является вентильный электродвигатель, содержащий 20

P-полюсный ротор, статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к преобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управляющие цепи которого подключены к выходу блока импульсно-фазового управления выпрямителем, инвертор и блок импульсно-фазового управления инвертором; а также блок регулирова- ния, входы которого подключены к вы- ЗО ходам тахогенератора и импульсного датчика положения ротора, а выходык первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инверторОМ второй

Вход блока регулирования выпрямлен ного тока подключен к выходу датчика постоянного тока,а его выход - к входу блока импульсйо-фазового управления выпрямителем t2), 40

Недостатком известного вентильного двигателя является высокий уровень высших гармоник в токе якоря вентильного двигателя, которые вызьгI

Вают пульсщии. электромагнитного мо 45 мента в донолиительиые потери в роторе электрической машины, что снижает энергетические показатели и срок службы двигателя, особенно мощного, а также ограничивает его применение о для механизмов, требующих широкого диапазона регулированйя скорости вращения.

Цель изобретения - повьппение энер gg гетических показателей эа счет приближения формы фазного тока к форме фазной ЭДС.

Поставленная циь достигается тем, что в вентнльный дни атель, содержащий Р-полюсный ротор„ статор с расположенной на нем обиоткой якори, секции которой подключены к преобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управляющие цепи которого подключены к выходу блока импульснофазового управления выпрямителем, инвертар и блок импульсно-фазового управления инверторогл, а также блок регулирования, входы которого подключены к выходам тахогенератора и импульсного датчика положения ротора, а выходы — к первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блока регулироваония выпрямленного тока подключен к выходу датчика псстоинного тока, а

его выход - к входу блока импульснофазового управления выпрямителем, введены гг управляемых вентильных мостов, которые включены между собой и управляемым мостом инвертора тока параллельно по цепи постоянного тока через дополнительно введенные уравнительные реакторы, а по цепи переменного тока - непосредственно, а также коммутатор,, включенный между управляющими цепями инвертора и блоком импульсно-фазового управления инвертором, при этом второй вход блока импульсно-фазового управления иивертором подключен к вьгходу датчика постоянного тока.

Кроме того, блок управления инвертором снабжен и + 1 фазосднигающими узлами и Ь сумматорами, объединенные первые входы которых и вход одного из фазосдвигающих узлов образуют первый вход блока импульсно-фазового управления ннвертором, объединенные вторые входы сумматоров образуют второй вход блока импульсно"фазового управления инвертором, третьи входы сумматоров также объединены и предна- значены для подключения к источнику опорного напряжения, а выходы сумматоров подключены к входам фазосдвигающих узлов, выходы которых образуют выход блока импульсно-фазового управления ннвертором.

На фиг.1 изображена функциональная схема вентильного двигателя; на фиг.2 - диаграммы рабогъг основных функциональных узлов двигателя.

3 1136

Вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1, якорная обмотка которой подключена к инвертору 2 тока, а обмотка возбужденияк возбудителг 1, выпрямитель 4 с датчиком 5 выпрямленного тока и сглаживающим.дросселем 6, подключенным к инвертору 2, блок 7 регулирования, подключенный первым выходом к первому входу регулятора 8 тока, второй 1о вход которого подключен к датчику 5 выпрямленного тока, а выход — к входу блока 9 импульсно-фазового управления выпрямителем, блок 10 импульсно-фазового управления инвертором f5 с фазосдвигающими узлами 11 и 12 и сумматорам 13, первый вход которого, объединенный с входом фазосдвигающего узла ll, образуют первый вход блока 10 импульсно-фазового управле- уа ния инвертором, подключентачй к второму выходу блока 7 регулирования, второй вход сумматора 13 образует второй вход блока 10 импульсно-фазового управления инвертором, подклю" 25 ченный к выходу датчика 5 постоянного тока, а выход сумматора 13 подключен к входу фаэосдвигающего узла. 12, выход которого и выход фаэо сдвигающего узла ll образуют выход зо блока 10 импульсно-фазового управления инвертором, подключенный к входу коммутатора 14, выход которого, в свою очередь, подключен к управляющим цепям инвертора 2, а также техо- З5 генератор 15 и импульсный датчик 1á положения ротора, связанные с валом синхронной машины l и подключенные соответственно к второму и третьему входам блока 7 регулирования.

Инвертор собран на управляемых вентилях 17 — 28 и подключен к цепи питания через уравнительные реакторы 29 и 30.

На фиг.2 обозначены кривые 31 фазных ЭДС синхронной машины 1, токи; 32»протекающие через вентили 17»

22, токи 33 протекающие через вен7 тили 23 - 28, кривая 34 тока в фазе А синхронной машины, углы/3» PZ опережения включения вентилями ин, вертора, углы,, 2 коммутации вентилей 17 — 28, включаемых с углами опережения включения Р, 1 соответственно, временной сдвиг hP между на 55 чалами проводящего сотояния вентилей инвертора, подключенных к одной:. фазе.

267 4

Коммутатор может быть выполнен по одной иэ известных схем, а сумматорна основе операционного усилителя.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

В исходном положении напряжение подведено к выпрямителю 4 преобразователя частоты и возбудителю 3, угол /3 опережения управления инвертором 2 не равен нулю, сигналы управления 0 — задающее напряжение органа управления вентнльным двигателем и 0 - напряжение управления возбудителем отсутствуют, синхронная машина

1 стоит. Величина угла, отсчитываемого относительно точки пересечения линейных ЭДС холостого хода, ус» танавливается достаточной для обеспечения коммутации вентилей инвертора.

При поступлении сигналом Cj и Ц, от органа управления на входы блока 7. регулирования и возбудителя 3 формируется команда на пуск синхронной машины 1. Прн этом с первого выхода блока 7 регулирования через блок 8 регулирования тока и блок 9 импульсно-фазового управления выпрямителем поступает сигнал на открытие вентилей выпрямителя 4, а с второго выхода блока 7 регулирования через блок!О импульсно-фазогэго управления ннверторои н коммутатор 14 поступает сиг» нэл на открытие вентилей инвертора 2.

Возбужденный ротор синхронной машины f начинает разворачиваться. После поворота синхронной машины 1 на тактовый шаг (60 эл.град.) по сигналу импульсного датчика 16 положения ритора, поступающему на вход блока 7 регулирования, блок 7 регулирования производит операцию по искусственной коммутации вентилей инвертора 2 путем кратковременного перевода выпрямителя 4 в режим инвертирования.

Последующие такты коммутации вентилей инвертора 2 {при работе синхронной машины 1 в днапазбне частот О0 1 номинальной) производятся, анало» гичным образом пс комаьдам, поступающим от датчика 16 положения ротора.

При достижении синхронной машиной 1 частоты вращения (,1 синхронной по сигналу тахогенератора 15, поступающему на один из входов блока 7 регулирования, блок 7 регулирования пе-. реводит инвертор 2 в режим естественной коммутации.

1136267

Работа вентильнога электродвигателя в режиме естественной коммутации инвертора 2 за счет ЗДС синхронной машины 1 осуществляется следующим образом. 5

Напряжение, пропорциональное выпрямленному току выпрямителя 4, с датчика 5 тока поступает на соответствующий вход сумматора 13 блока 10 импульсно-фазового управления инвер- 10 тором. На другой вход сумматора 13 и вход фазосдвигающего узла 11 подается напряжение с блока 7 регулирования, а на третий вход сумматора 13 — напряжение Ц источника опор- 15 ного напряжения. В сумматоре 13 осуществляется выполнение логической операции су..мирования, что приводит к появлению на его выходе напряжения

U--11 +П -К 1 (где К - коэффициент

О 1 б пропорциональности", 1 — величина выпрямленного тока), которое поступает на вход фазосдвигающего узла 12.

Б результате на выходе фазосдвигающего узла 11 имеем шестифаэную после- 5 довательность управляющих импульсов с углом опережения Р1, а на выходе фазосдвигающего узла 12 - шестифазную последовательность управляющих импульсов с углом опережения 30 г Р1a Pо а Р1 P é1 1(èÉ 1- s Р

= «(6-йPq °

Шестифаэные последовательности управляющих импульсов, фаза которых

, и P c выхода блока 10 импульсно35 фазового управления инвертором поступает на коммутатор 14, который распределяет управляющие импульсы между управляемыми вентилями инвертора так, 40 чтобы в один период своего проводящего состояния вентили, подключенные к одной фазе, например вентили 17 и 23, включались с углом опережения вкаюченгя 6> и Л соответственно, а

45 в другой период - наоборот, с углами и P) и т»д»

Это приводит к тому, что в любой момент времени токи, протекающие через вентили, подключенные одинаково

S0

1,либо своими анодами, либо своими катодами) к одной фазе синхронной машины, сдвинуты друг относительно друга на угол

Р 1 1= Р= = -< 1 )=-"-аР

55 ча тоте р щ синхронной машины. Величина 7il3 (@+1) рад. выбирается из расчета максимально возможного приближения формы фаэного тока к си;нусоидальной при малой нагрузке вентильного двигателя, когда углы комму-. тации. вентилей инвертора )< 1 О.

Назначение составляющей АР< корректировать величину при на (qi)) грузке вентильного двигателя с тем, чтобы не нарушить условия, максимально возможного приближения формы фаэного тока к синусоидальной.

Фазный ток, равный сумме упомянутых токов, в этом случае приобретает ступенчатую форму {число ступеней зависит ат количества И мостов в инверторе). Очевидно, что такая "ступенчатая" кривая ближе по форме к синусоидапьной, чем кривая "прямоугольной" формы у известного устройства.

В сформированной таким образом кривой "ступенчатой" формы присутствуют гармоники с номерами1 =(6 +1), i=1 2,3,... При этом амплитуды- гармоник с номерами 4 =(6i<1), где

=l 2,3,... без числа вида jn, j

=(l,cio }, снижаются как минимум в 33,5 раза. Например, при n=2 уменьшаются амплитуды гармоник с номерами 5,7,17,19,29,31,..., при n=3 уменьшаются амплитуды гармоник с номерами 5,7,11,13,23,25,29,31,... и т»д» уменьшение высших гармоник в токе и МДС якоря двигателя позволяет уменьшить или даже полностью избавиться от паразитных электромагнитных моментов, повышая тем самым энергетические характеристики электропривода.

Из-sa уменьшения высших гармоник уменьшаются потери в успокоительной обмотке. и обмотке возбуждения, а также s стали ротора. Потери в меди якорной обмотки также уменьшаются, но незначительно, поскольку некоторое рассогласование между углами опережения включения приходится компенсировать увеличением величины входного тока при прочих равных условиях. Поэтому несмотря на то, что добавочные потери в якорной обмотке вентильного двигателя, обусловленные токами высших гармоник, уменьшаются значительно (как минимум в 4,7 ра7 !1 а), потери в якорной обмотке умень-. шаются всеГо в 1,2-1,3 раза.

Уравнительные реакторы обеспечивают не только нормальную работу инвертора с заданным алгоритмом переключения вентилей, но и выполняют роль сглахивающнх фильтров, уменьшающих пульсации входного тока инвер тора и, тем самым, способствующих уменьшению добавочных потерь. Кроме того, установленная мощность уравни тельных реакторов составляет 0,5-1Х от мощности вентильного двигателя и, очевидно, что такое увеличение монет быть скомпенсировано уменьшением мощности сглажив.mmего дросселя в цепи выпрямленного тока.

Таким образом, в вентильном электродвигателе форма тока якоря приближается к форме противо-ЭДС за

36267 8 счет уменьшения, как минимум в 33,5 раза, уровня гармоник (6i+ 1), где i=1,2 3 без чисел вида

j(n+l), j (l ° 00 }, (и+1) - количест5 во управляемых мостов в инверторе.

При этбм повышается KHg двигателя на 2-3Х, уменьшаются пульсации электромагнитного момента, расширяется рабочий диапазон регулирования час10 таты вращения, что особенно ваано в вентильных двигателях большой.мощности

Вентильный электродвигатель моает найти широкое применение в, электроприводах металлорешущих станков и других механизмов горнорудной и цементной промышленности, а такае неф" тяной и газовой промышленности и на иелезиодороаном транспорте.

ll36267

Составитель А.Санталов

Редактор A,éèøêèíà Техред З.Палий Корректор Г.Решетник

»»» ° »»»»4Ь»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»»Ю

Заказ 30298/42 Тираж(646 Поднисное

ВНИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 l3035, Москва Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

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