Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электродвигателям. Цель изобретения - снижение пульсации момента и частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД) . Электродвигатель содержит синхронную машину 1 с трехфазной двухполюсной о(5моткой с общим выводом 2 секций. Секции .обмотки якоря подключены к выходу 3 двухполупериодного преобразователя 4 частоты, выполненного la управляемых ключах 5-10. Три вентиля 11-13 мое-, та обратного тока выполнены управляемыми . ВД содержит датчик 14 положения ротора, который первым комплектом чувствительньтх элементов подключен через первьй формирователь 16 упг равляющих сигналов к управлякицим . цепям 23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты. Устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам 45-47 вентилей 11-13 анодной группы моста обратного тока. Имеется также втррое устройство 53 взаимной блокировки, второй формирователь 58 управляющих сигналов , информационный вход 67 которого подключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов датчика 14, смещенного относительно 1сл оо Й Фиг 1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

PECFlVBJlHH (19у (И) 3(51) Н 02 К 29 06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМЪГ СВИДЕТЕЛЬСТВУ гРиг !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 386 7835/24-07 (22) 18. 03. 85 (46) 23.09.86. Бкл. 1(- 35 (72) В.И. Катаев, В.К. Лозенко, Л.В. Холмов и В.Ф. Шалагинов (53) 621. 313. 13. 014. 2: 621. 382 (088. 8) (56) Патент США N- 3643143, кл. 318254, 1972.

Авторское свидетельство СССР

У 692014, кл. Н 02 К 29/02, 1977. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электродвигателям. Цель изобретения — снижение пульсации момента и частоты вращения вентильного электродвигателя {ВД); Электродвигатель содержит синхронную машину с трехфазной двухполюсной обмоткой с общим выводом 2 секций. Секции .обмотки якоря подключены к выходу 3 двухполупериодного преобразователя 4 частоты, выполненного на управляемых ключах 5-10. Три вентиля 11 13 моста обратного тока выполнены управляемыми. ВД содержит датчик 14 положения ротора, который первым комплектом чувствительных элементов подключен через первый формирователь 16 уп-. равляющих сигналов к управляннцим цепям 23-28 ключей 5- 10 преобразователя 4 частоты. Устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам 45-47 вентилей

11-13 анодной группы моста обратного тока. Имеется также в горое устрой- g ство 53 взаимной блокировки, второй формирователь 58 управляющих сигналов, информационный вход 67 которого подключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов датчика 14, смещенного относительно первого комплекта на угол, равный

; 76 геом.рад., имеется также третье устройство 71 взаимной блокировки и широтно-импульсный модулятор 74.

В данной схеме управления электродвигателем осуществляется чередова1259430 ние прямого. подключения секций к источнику питания с инверсным подключением следующей за предыдущей секции обмотки якоря, что соответствует уменьшению пульсаций вращающего момента. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Чзобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в электродриводах с вентильными электродвигателями.

Цель изобретения — снижение пульсации момента и частоты вращения вентильного электродвигателя.

На фиг. 1 изображена блок-схема вентильного электродвигателя с трехсекционной обмоткой якоря; на фиг. 2 эпюры напряжений в узлах блок-схемы; на фиг. 3 и 4 — примеры выполненивкустройств взаимной блокировки; на фиг. 5 и 6 — примеры выполнения второго формирователя управляющих сигналов; на фиг. 7 - механические характеристики вентнльного двигателя с изменяемой структурой коммутатора; на фиг. 8 — зависимость

И Е (Dt) для вентильного электродвигателя с изменяемой структурой . коммутатора; на фиг. 9 — условное изображение пространственного расположения намагничивающих сил секций обмотки якоря вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с одной парой полюсов и обмоткой якоря с общим выводом 2 трех ее секций. Для данного двигателя нри описании угловых величин геометрические радианы совпадают е электрическими. Секции обмотки якоря подключены к выходу

3 двухполупериодного преобразова. теля 4 частоты,.выполненного на шести управляемых ключах 5-10, образующих анодиую 5-7 и катодную 8-!О группы но три управляемых ключа в каждой, .с мостом обратного тока, три вентиля 11-13 одной из групп которОго, например анодной выполнены управляемыми. Датчик 14 положе ния ротора вентильного электродвигателя выходом 15 первого комплекта чувствительных элементов подключенный к первому формирователю 16 управляющих сигналов с шестью каналами 17-22,выполненному на .периоде повторяемости 25 геом. рад. длительностью выходного сигнала (выходной характеристикой) в каждом канале, равной

2К

10 Ч = — — — геом.рад., 3 каналы подключены к управляющим цепям 23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты.

Первые 29-31 и вторые 32-34 выводы ключей, соответственно анодной и катодной групп преобразователя 4 объединены в своих группах и образуют соответственно первый 35 и

2О второй 36 общие выводы преобразователя 4 частоты, служащие для подключения к источнику 37 питания и между которыми включены последовательно соединенные первые дополни>5 тельные управляемый ключ 38 и вентиль

39, к объединенным выводам 40 и 41 которых подключен общий вывод 2 трез секций обмотки якоря. Причем второй вывод 42 первого дополнитель-: ного ключа 38 соединен с вторым общим выводом 36 преобразователя 4 частоты, а превый дополнительный вентиль 39 включен встречно по отно-. шению к источнику 37 питания. Первое устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам

45-47 вентилей 11-13 анодной группы

4О моста обратного тока.

Вентильный электродвигатель также содержит управляемые вентили 48-50 катодной группы моста обратного тока, вторые дополнительные управляемый ключ 51 и вентиль 52, включен1259430 4 ные встречно-параллельно соответственно первым дополнительным вентилю 39 и управляемому ключу 38, второе устройство 53 взаимной блоки». ровкн> подключенное к управляющей це. пи 54 второго дополнительного ключа .

51 и к управляющий цепям 55-57 вентилей катодной группы моста обратного тока. Имеется второй фор мирователь 58 управляющих сигналов 1р с восьмью каналами 59-66, выполненный с выходной характеристикой вида

Ч = — геом.рад.на периоде повторяеЯ д У

15 мости в каждом из первых шести каналов 2йгеом.рад.,а в каналах 65 и 66 на периоде повторяемости 211/3 геом. рад.Информационный вход 67 формирователя 58 подключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов 20 датчика 14 положения ротора. Второй комплект чувствительных элементов датчика 14 смещен относительно первого на угол %/6 геом.рад.

Каналы 59-64 формирователя 58

25 подключены ж управляющим цепям

23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты, а каналы 65 и 66 — к .входам 69 и 70 первого 43 и второго 53 устройства взаимной блокировки. 30

Третье устройство 71 взаимной блокировки подключено к управляющим входам 72 и 73 первого 16 и второго 58 формирователей управляющих сигналов.

Электродвигатель снабжен широтно- 35 импульсным модулятором 74, включенным на вход 75 третьего устройства

7t взаимной блокировки.

Конструктивно датчик 14 положения ротора может быть выполнен по 40 любой известной схеме, например трансформаторный с подмагничиванием илн емкостной.

В выходнь!х каналах каждого комплекта чувствительных элементов 45 датчика положения ротора формируются сигналы о положении ротора синхронной машины 1, смещенные в данном случае относительно друг друга на 21Г/3 геом.рад. Длительность 5О каждого сигнала соотвествует угловому повороту ротора на уголь, геом.рад.

Цепи 26-28 управления ключей

8-10 катодной группы ключей пре- 55 образователя 4 частоты и вход перво. го устройства 43 взаимной блокировки либо цепи 23-25 .управления ключей 5-7 анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и вход 69 второго устройства 53 взаимной блокировки могут быть подключены к выходудополнитеч ьногоширотно-импульсного модулятора (не показан).

Устройства 43, 53 и 71 взаимной блокировки могут быть реализованы по однотипной принципиальной схеме.

Устройство взаимной блокировки формирует на двух своих выходах сигналы взаимно противоположных уровней, причем уровень выходного сигнала, снимаемоч.о с одного из выходов устройства взаимной блокировки, всегда совпадает с уровнем входного сигнала.. Примеры возможного выполнения устройств блокировки . представлены на фиг. 3 и 4 ° Устройство, изображенное на фиг. 3, содержит комплиментарную пару транзисторов 76 и 77, эмиттеры которых являются выходами устройства 71 взаимной блокировки. Коллекторы

78 и 79 транзисторов 76 и 77 подклю т чены к разнополярным клеммам источни. ка питания, а базы 80 и 81 объединены и образуют вход 75 устройства

71 блокировки. На фиг. 4 показано устройство 71, состоящее из двух транзисторных усилителей на транзис-. торах 82 и 83, коллекторные выводы которых являются выходами устройства

71, а управляющие выводы 84 и 85 которых подключены соответственно к входу и выходу логического инвертора 85, вход 75 которого является входом устройства 71.

Первый формирователь 16 управляющих сигналов осуществляет формирова-. ние иэ сигналов датчика 14 положения ротора сигналов на управление двухполупериодным подключением обмоток якоря синхронной машины 1 к источнику 37 питания.

Второй формирователь 58 управляющих сигналов формирует на своих выходах 59-65 такую последовательность управляющих сигналов ключами 5-10 преобразователя 4 частоты и устройствами 43 и 53 взаимной блокировки, которая обеспечивает поочередное подключение непосредственно каждой секции обмотки якоря к источнику 37 питания как в прямом, так и в инверсном направлениях, с целью создания однонаправленного электромагнитного момента.

5 12594

Формирователь 58 можее иметь раз. личные формы выполнения. Формирователь 58 (фиг. 5) содержит депяфратор 86, входы 87"89 трех младших разрядон которого являЮтся информационным нходом 67 формирователя 58, а вход 90 старшего разряда дешифратора 58 совместно с управляющим входом 91 схемы "Запрет" 92 образуют управляющий

ЬО вход 73 формирователя 58. Выходы

59-64 дешифратора являются первьяьи шестью выходами формирователя 58, а выходы 59-61 подключены к входам логического сумматора 93, прямой выход 66 которого является восьмым выходом формирователя 58, а инверсный выход сумматора 93 подключен к информационному вььходу схемы

"Запрет" 92, выход 65 которой является седьмым выходом формирователя. 58.

Для вентильного электродвигателя с шестиканальным датчиком положения ротора на периоде повторяемости 2Г/ р геом.рад, может быть использован формирователь 58. (фиг. 6), состоящий из первых вести схем

"Запрет" 94-99, информационные входы 100-105 которых являются

30 информационным входом 67 формирова-, теля 58. Входы 101, 103 и 105 схем "..Запрет" соединены с входами логического сумматора 106„ инверсный и прямой выходы которого под-, ключеньЬ к информационным входам седьмой 107 и восьмой 108 схем

"Запрет", управляющие входы .схем

94-99, 107 и 108 объединены и образуют управляющий вход формирователя 58. 40

На фиг. 7 изображена механичес-," кая характеристика 109, соответствующая работе двигателя с двухполупериодным преобразователем 4 частоты, управляющие сигналы на ключи 5-10 которого поступают с выходов 17-22 первого формирователя управляющих сигналов при разомкнутом первом 38 и втором 51 дополнительных управляеььых ключах и заблокированном

50 втором формирователе 58 управляющих сигналов, и механическая характеристика 110, соответствующая работе двигателя, когда. к клеммам источника питания подсоединяется непосредственно каждая отдельная секция обмотки якоря, при этом заблокирован первый формирователь,16 управ30 Ь ляющих сигналов, а управляющие сигналы на ключи 5-10 преобразователя 4 частоты и входы первого 43 и второго 53 устройств блокировки поступают с выходов 59-66 второго формирователя 58 управляющих сигналов.

На определенном интервале времени третьим устройством 71 взаимной блокировки заблокирован второй формирователь 58 управляющих сигналов. Это значит, что на входах первых двух устройств 43 и 53 блокировки отсутствуют управляющие сигналы, чем обеспечивается раэомк нутое состояние дополнительных ключей 38 и 51 и включеннное состояние управляемых вентилей моста обратного тока преобразователя 4 частоты. Секции якорной обмотки синхронной машины 1 получают двухполу- периодное питание от источника 37 постоянного тока. Управление ключами 5-10 преобразователя 4 частоты

1 осуществляется по сигналам U 1 Ht 15

U, U, с выхода 15 первого комглекта чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, преобразованным н первом формиронателе 16 управляющих сигналов.

В этом режиме вентильный электродвигатель работает на интернале времени ., Ь:2 ° Регулирование частоты вращения может осуществляться по сигналам дополнительного широтно-импульсного модулятора, нзаимодействующего, например, с ключами 8-10 катодной группы ключей преобразователя 4 частоты. Вентильный электродвигатель имеет жесткую механическую характеристику 109

{фиг. 7), поскольку при достаточных неличинах частоты дополнительного широтно-импульсного модулятора и индуктивности обмотки якоря ток днигателя не претерпевает разрывов.

Вентили 39 н 52 не оказывают влия-. ния на работу двигателя. ю ь

Изменение структуры устройства нентильного электродвигателя осуществляется при изменении логичесУроння U,, на вхопе 75 третьего устройства /1 взаимной блокировки

l в момент времени с за счет блоки2 ронки первого формирователя 16 управляющих сигналов и разблокировки второго формирователя 58 управляюпдх сигналов.

12594

Вентильный электродвигатель на интервале времени t — t работает со структурой коммутатора, обеспечивающей поочередное подключение каждой отдельной секции якоря непосредственно к клеммам источника 37 питания. Управляющие сигналы 0 з -П для вентильного электродвигателя показаны сплошной линией. Для подключения какой-либо секции обмотки 10 якоря в прямом направлении открывается соответствующий ключ, например ключ 5, анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и первый дополнительный управляемый ключ 38. Для подключения секции обмотки якоря в обратном направлении открывается соответствующий ключ, например ключ 9, катодной группы ключей преобразователя частоты и 20 второй дополнительный управляемый ключ 51.

На фиг. 9 изображено пространственное расположение намагничивающих сил секций А,В,С обмотки яко- 25 ря синхронной машины 1 предлагаемого вентильного электродвигателя.

Векторы FA Г, F намагничивающих сил соответствуют прямому включению соответствующих секций А,В, С (фиг. 1) Зп синхронной машины 1, а векторы F ь A e

Гб, à — инверсноиу включению этих же секций. Для создания непрерывног î вращающего электромагнитного момента прн непосредственном пооче35 реднои подключении к источнику питания каждой секции обмотки якоря необходимо чередовать. прямое подклвчение секций обмотки якоря с инверсным подключением следующей

40 за ней секции обмотки якоря, в зависимости от направления вращения.

Переключая таким образом секции обмотки якоря, можно получить непрерывный вращающий электромагнитный момент определенного знака(штри45 ховьиж ливиями показаны угловые положения ротора в иоменты переключения секций).

Значения электромагнитного момента

i функции времени показаны на фиг.8.

Регулирование частоты вращения прн работе с одной определенной ,структурой коммутатора может осу.ществляться по сигналаи дополнительного широтно-импульсного модулятора, взаимодействующего,в случае: прямого включения секции обмотки якоря, с первым дополнительным уп3О в равляемым ключом 38, а в случае инверсного включения секции — с соответствующим ключом из катодной группы ключей преобразователя 4 частоты.

Использование двух комплектов

1 чувствительньм элементов датчика 14 положения ротора, сдвинутых относительно друг друга на угол 8 /2 рш, определяется необходимостью обеспечить при раздельном питании секций электромагнитный момент таким, чтобы в начале и в конце межкомму-. тационного интервала каждая секция якорной обмотки создавала одинаковый электромагнитный момент. Использование же в обоих режимах работы вентильного электродвигателя только одного комплекта чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, особенно в двигателях с беспаэовой конструкцией якоря, а также с обмотками якоря, обладающими малыми индуктивностями, указанное условие не обеспечивает.

Управление третьим устройством 71 заимной блокировки осуществляется т широтно-импульсного модулятора 74.

Задавая различные законы изменения величины коэффициента заполнения импульсов модулятора 74, можно получить различные механические характеристики. Кроме того, управление третьим устройством взаимной блокировки можно осуществлять вручную.

Работа вентильного электродвигателя на интервале времени й, — и (фиг.2) сопровождается рекуперацией энергии, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря через соответсвующие дополнительный вентиль например первый, и вентиль незаблокированной катодной группы вентилей иоста обратного тока преобразователя 4 частоты, в источник 37 питания.

Во время рекуперации энергии подключаеыая секция получает питание от отключаемои секции обмотки якоря.

Возможность протекания сквозных токов во время переключения первого

38 и второго 51 дополнительных управляемьм ключей исключается тем, что при достаточных индуктивностях секций обмотки синхронной машины 1 в момент отключения в секции возникает реактивная ЭДС, по величине превышающая напряжение источника питания и подключенная по отношению к источнику встречно-параллельно.

Этим обуславливается протекание тока

1259430 10 рекуперации н источник постоянного тока. Этот ток .проходит через допол" нительный вентиль, включенный встречно-параллельно вновь открываемому дополнительному управляемому ключу, и закрынает его, создавая падение напряжения на дополнительном вентиле, приложенное встречно коллекторно-эмиттерному переходу этого управляемого ключа на время рекуперации энергии в источник. Таким образом осуществляется задержка на включение открываемого дополнительного управляемого ключа.

Формула изобретения ,i . Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с числом пар полюсов р и обмоткой якоря с общим выводом m ее секций, которые подключены к выходу двухполупериодного преобразователя частоты на 2m управляемых ключах, образующих анодную и катодную группы по m управляемых ключей в каждой, с мостом обратного тока, ш вентилей одной

Из групп которого, например анодной, Выполнены управляемыми, и датчик положения ротора, выход первого комплекта.чувствительнык элементов которого соединен с информационным вхедом первого формирователя управляющих сигналов с 2m выходными каналами, выполненного с возможностью создания на периоде повторяемости 25 /р выходного сигнала длительностью,равной в каждом канале

2F 217

Ч (- — ° (1+а}

Р1Л Pl!i где Ь вЂ” коэффициент перекрытия, нодключенныМи к управляющим цепям ключей двухполупериодного преобраэо . . вателя частоты, первые и вторые выводы ключей, соответственно анодной и катодной групп которого объединены в своих группах и обравувт соответственно первый и второй общие выводы двухполупериодного преобразователя частоты, служащие для подключения к источнику питания и между которыми включены последовательно соединенные первые дополнительно управляемый ключ и вентиль, У к объединенным выводам которых под ключен общий вывод m секций обмотки якеря, причем второй вывод первого дополнительного ключа соединен с нительному вентилю и управляемому ключу, второе устройство взаимной блокировки выходом подключено к управляющим цепям второго дополнительного ключа и вентилей катодной группы моста обратного тока, второй формирователь управляющих сигналон

35 выполнен с 2 C,m + 1) выходами — каналами с возможностью создания н каж40

М

25 вторым общим выводом днухполупериодного преобразователя частоты, а первый дополнительный вентиль подключен встречно по отношению к источнику питания, первое устройство взаимной блокировки, подключеннное к управляющим цепям первого дополнительного управляемого ключа и вентилей анодной группы моста обратного тока, о т л и ч а ю щ и й— с я тем, что, с целью снижения пульсации вращающего момента, он снабжен вторым формирователем управляющих сигналов с управляющим и информационным входами, вторыми управляемым ключом и вентилем, вторым и третьим устройствами взаимной блог кировки, пернЪЙ формирователь управ ляющих сигналон снабжен управляющим входом, вентили катодной группы моста обратного тока выполнены управляемыми, датчик положения ротора выполнен с вторым комплектом чувствительных элементов, сдвинутым относительно первого на угол, равный

)t /2pm, вторые дополнительные ключ и вентиль подключены встречно параллельно соответственно первому дополдом канале ныходиого сигнала длиTf тельностью Ч = — на периоде

p tfl повторяемости, равной н каждом из первых 2m каналов 2Г Ip, а н остальных каналах 2Tf /рш инР формациОнный вход второго формироват теля управляющих сигналов подключен к выходу второго комплекта чувствительных элементов датчика положения ротора, первые 2m каналов формирователя подключены к упранляющим цепям ключей днухполупериодного лреобраэонателя час-.оты, а остальные каналы— входам первого и второго устройств взаимной блокировки, выход третьего устройства взаимной блокировки подключен к управляющим входам первого и второго формирователей управляющих сигналов.!

2. Электродвигатель по п. 1, о т л и ч а в шийся тем, что снабжен импульсным модулятовом.

f259430 f2 выход которого связан с входом третьего устройства взаимной блокировки.

1259430

ФАЗ

1259430

1259430

Техред Л.Сердюкова Корректор И. Муска

Редактор А. Шишкина

Заказ 5135/55

Тира к 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r Ужгород, ул. Проектная, 4