Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике , а именно к эл. машинам. Целью изобретения является повышение надежности вентильного электродвигателя (ВД). ВД содержит синхронную машину 1, секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения. Имеются датчик 9 положения ротора, индикатор 10 направления вращения, генератор I1 пилообразных напряжений и нуль-органы 12-14 с различным уров (Л с: tc 4 СО N

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

РЕСПУБЛИН

1 Р 4 Н 02 К 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ASYQPGHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ. (61) 970578 (21) 3823443/24-07 (22) tl.t2.84 (46) 23.t1.86. Бал. tt 43 (71) Всесоюзный ордена Трудового

Красного Знамени научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт релестроения (72) В.Ф. Шепелин (53) 624 .313. 13.014 .2: 621 .382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

В 970578, кл. H 02 K 29/00, 1976, „.SU„, 272413 A 2 (54) ВЕНТИЛЬНЬЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике, а именно к эл. машинам.

Целью изобретения является повышение надежности вентильного электродвигателя (ВД). ВД содержит синхронную машину t, секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения.

Имеются датчик 9 положения ротора, индикатор 1О направления вращения, генератор I l пилообразных напряжений и нуль-органы 12-14 с различным уров1272413

P Eq Тд

И =д () Э нем смещения рабочей точки. В каждый канал введено по три логических элемента (Э) совпадения. В первом канале это логические Э 16-18. Первые входы этих Э непосредственно или через ключи 19 подключены на выходы соответствующих нуль-органов. Вторые входы подключены на соответствующие устройства 20 преобразования сигналов с датчика 9 положения ротора в импульсы длительностью 60 эл. град.

В этот канал входят также инвертирующие логические Э 22 и 58, логические

Э совпадения 23, 24, 29, 30, статический триггер 38 и ключ 39. Дополнительно введены блок 54 определения режима работы, блок 55 сравнения фактического уровня скорости с заданным и статический триггер 57. Первый вход статического триггеуа через Э совпадения 56.связан с выходами блока 54

Изобретение относится к области электротехнике, в частности к в ентильным электродвигателям {ВД) регулируемого электропривода переменно- го тока, может найти применение в

5 электроприводах металлорежущих станков и других механизмов и является усовершенствованием устройства по авт. св. М 970578.

Цель изобретения — повьппение надежности вентильного электродвигателя.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого вентильного электродвигателя; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

На фиг. 2 показаны графики измене- 2О ния составных частей момента двигателя в зависимости от угла поворота ротора, развиваемого отдельными фазами якорной обмотки при обтекании их током I момент рассчитывается по формуле определения режима работы и блока 55, а второй вход через дифференцирующие цепочки 21 связан с датчиком 9 положения ротора. Блок 54 определения режима работы содержит логические Э

И-HE 59-62, а статический триггер 57 логические Э И-HE 63 и 64. Благодаря вновь введенным Э процесс переключений зон управления тиристоров инвертора вентильного электродвигателя происходит после смены направления вращения и совпадает с моментом выдачи очередного управляющего импульса на тиристоры инвертора, что исключает возможность подключения в момент перехода скорости двигателя через нуль секций обмотки, не соответствующих заданному направлению вращения. Это

l уменыпает дополнительные колебания скорости и повьппает надежность в работе ВД. 2 ил. где P — мощность фазы двигателя;

<»- скорость вращения ротора двигателя;

E — мгновенное значение ЭДС вращения. ю 2 37 Я бб бб б3 б4 ставляют собой логические сигналы на выходах соответствующих элементов схемы фиг. 1.

ВД содержит синхронную машину 1, секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения, состоящего, например, из регулируемого выпрямителя 4 с системой 5 импульснофазового управления, системой 6 регулиравания тока и скорости, датчиком 7 нулевого тока, задатчиком 8 скорости и направления вращения. Имеется датчик 9 положения ротора.

К выходам каналов датчика пути подключены входы индикатора 10 направления вращения и генератора 11 пилообразных напряжений, содержаще; го, например, счетное устройство и преобраэователь код-аналог. Выход генератора пилообразных напряжений подключен на входы нуль-органов 12!

272413

14> имеющих разный уровень смещения рабочей точки. Вторые входы нуль-органов объединены и подключены к выходу задатчика 1.5 угла управления инвертором. Имеется по три на каждый 5 канал логических элемента совпадения с объединенными выходами (на первый канал логические элементы 16-18), первые входы которых непосредственно или через ключи 19 (для реверсНВНоРо ВД) подключены K выхОдам соответствующих нуль-органов. Вторые входы логических элементов 16-18 подключены на соответствующие выходы устройства 20 преобразования сигна- 15 лов с датчика положения ротора в, импульсы длительностью 60 эл. град.

Выхогы устройства, 20 через дифференцирующие цепочки 21 подключены также на вход генератора 11 пплообраз- 3Р ныл напряжений. Объединенные выходы логических элементов 16-18 совпадения подключены через инвертирующий .логический элемент 22 на входы ло- гических элементов 23 и 24 совпадения первой группы, вторые входы ко— торых подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 25 (для других каналов управления через логические 3р элементы 26 и 27) и ключи 28 (для реверсивного ВД) на вход датчика положения ротора. Имеются логические элементы 29 и 30 совпадения второй группы, первые входы KQTopblx пОдключены 35 соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 31 (для других каналов управления через логические схемы 32 и 33) на выход датчика положения ротора 4р

ВД.

Вторые входы логических элементов 29 и 30 совпадения второй группы объединены и подключены через логический элемент И-НЕ 34 на выходы 45 узла 35 дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, узла 36 фиксации исходного сОстояния схемы, представляющего из себя, например, релейный элемент, включенный в исходном состоянии схемы, и логическое устройство 37 бестокового переключения режимов работы. Соответствующие выходы дополнительно введенных логических элементов совпадения первой и второй групп . объединены и подключены на входы статических триггеров (для первого канала управления на вход статического триггера 38), выходы которых непосредственно или через ключи 39 (для нереверсивного ВД а торможением и реверсивного ВД) подключены к соответствующим входам дешифратора сигналов с триггеров. Логические элементы 16-18, 22-24, 29 и 30 с триггером 38 и ключами 39 предназначены для формирования зон управления противофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазе А синхронной машины. Для управления противофаз° ными тиристорами инвертора, подключенными к фазам В и С синхронной машины, служат группы схем 40 и 41.

Выходы дешифратора на логических элементах 42-47 подключены на входы импульсных устройств 48-53 .управления IIIðèñòoðàìè инвертора.

Устройство содержит также блок 54 определения режима работы, блок 55 сравнения фактического уровня скорости с заданным, элемент 56 совпадения и статический триггер 5 7, первый вход которого через элемент 56 совпадения связан с выходами блока 54 определения режима работы и блока 55 сравнения фактического уровня скорос1 ти с заданным, а второй вход через дифференцирующие цепочки 21 — с датчиком 9 положения ротора. Первый выход статпческого триггера 57 соединен через инвертирующий логический элемент 58 с вторыми входами логических элементов 23 и 24 совпадения первой группы, а второй выход через элемент 34 совпадения — с вторыми входами логических элементов 29 и 30 совпадения второй группы. Первый вход блока 54 Определения режима работы соединен с выходом индикатора 10 направления -вращения, а второй — с выходом логического устройства 37 бестокового переключения режимов работы.

Вход блока 55 сравнения фактического уровня скорости с заданным подключен

1 через дифференцирующие цепочки 21 к датчику 9 положения ротора.

Блок 54 определения режима работы содержит логические элементы И-НЕ 5962. Статический триггер 57 содержит логические элементы И HE 63 и 64.

Вследствие указанного подключения введенных элементов на низкой скорости в тормозном режиме блокируется работа логпческпх элементов совпадения первой группы, через которые прохо1272413.

5 дят регулируемые по фазе импульсы, и разрешается работа элементов совпадения второй группы, пропускающих нерегулируемые по фазе импульсы с датчика положения ротора, при исполь зовании которых углы управления ключами инвертора при смене направления вращения изменяются без дополнительных переключений с с1= 0 в тормозном режиме на = 0 в двигательном режи- 10 ме (по отношению к точке пересечения фазных ЭДС холостого хода синхронной машины), что исключает неправильное подключение секций синхронной машины.

Автоматическая смена углов управ- 15 ления с с(= 0 на = 0 при смене направления вращения происходит потому, что при направлении "вперед" полезный сигнал на выходе датчика положения ротора начинает появляться при сов- 20 падении передней части сектора диска с чувствительной головкой, а при направлении назад" — с задней частью сектора диска, что равноценно смене фазы управляющего сигнала на

180 эл. град.

Переход на режим регулирования угла р происходит в функции сигнала с дифференцирующих цепочек, выдающих его в = О, после переключения ин- 30 дикатора направления вращения или одновременно с ним и появления на выходе датчика режима работы сигнала, свидетельствующего о двигательном режиме, т.е. тогда, когда изменение направления вращения завершилось.

В исходном состоянии схемы на выходе задатчика 8 скорости нулевой сигнал, углы управления тиристорами выпрямителя близки к 160 эл. град.

40 и напряжение на выходе источника 3 регулируемого напряжения равно нулю.

На .выходе узла 36 фиксации исходного состояния схемы логический нуль, который переводит счетное устройст45 во генератора пилообразных напряжений в исходное состояние тогда, когда на его выходе также нулевой сигнал.

При этом в зависимости от уровня сигнала с устройства 15 логический нуль может быть на выходе всех нуль— органов или только двух. B первом случае на выходе логических элементов 16-18 совпадения первого канала управления, а также на выходе аналогичных элементов других каналов появляется логическая единица, на выходе инвертирующего логического элемента 22 — логический нуль, а на выходах элементов 23 и 24 — логическая единица, которая не влияет на состояние триггера 38.

Одновременно на выходе логического элемента И-НЕ 34 под действием сигнала с узла 36 появляется логическая единица, которая снимает блокировку с входа логических элементов .

29 и 30 совпадения. При этом сигнал на выходе элементов 29 и 30, а значит и состояни триггера 38 определяются сигналом на их первых входах с датчика положения ротора.

Во втором случае, когда на выходе одного из нуль-органов логическая единица, сигналы на выходах логических элементов 23 и 29, 24 и 30 совпадают и определяются сигналами с датчика положения ротора.

Сигналы с выходов статических триггеров через ключи 39 (для первого каналауправления ) поступают на входы элементов 42-47 совпадения, на третьи входы которых поступает сборка импульсов управления регулируемого выпрямителя и импульсы управления тиристоров инвертора, сформированные, например, по фронтам переключения триггеров 38 и триггеров других каналов управления.

При наличии логическИс единиц на всех третьих входах соответствующих двух из шести логических элементов 4247, на их выходах появляется логический нуль, а на выходе двух из шести импульсных устройств 48-53;появляется управляющий сигнал, которйй открывает соответствующие два тиристора инвертора. Но поскольку на выходе выпрямителя напряжение отсутствует, ток в секциях сннхронной машины не протекает и ротор двигателя неподвижен.

На выходе блока 55 сравнения фактического уровня скорости с заданным в. неподвижном состоянии ротора сигнал соответствует логической единице, а сигналы на выходах индикатора 10 направления вращения и устройства 37 бестокового переключения режимов работы не определены, не определены и сигналы на вь1ходе блока 54 определе ния режима работы, а значит и на выходах статического триггера 57. Однако его сигналы или не влияют на статический триггер 38 (в одном положении триггера 57) или подтверждают его со1272

7 стояние .(в другом положении триггера 57), определяемое сигналами с датчика 9 положения ротора в соответствии с сигналом с узла 36 фиксации исходного состояния схемы. 5

При появлении напряжения на выходе задатчика скорости заданной полярности, соотв ет ствующей, например, н апр авлению "Вперед", углы управления тиристорй ми выпрямителя 4 становятся меньше 90 эл. град. и на выходе выпрямителя 4 появляется напряжение.Одновременно логическое устройство 37 переключается в состояние, соответствующее направлению "Вперед", переводя 15 при этом ключи 39 в положение когда на входы логических элементов 42-47 поступают сигналы с выходов триггеров 38 (для первого канала управления), также соответствующие направ- 20

sIению "Вперед".

На выходах двух импульсных устройств появляются управляющие импульсы, два тиристора инвертора 2 открываются и по секциям синхронной машины в соответствии с состоянием датчика положения ротора начинает протекать ток, и ротор двигателя поворачивается на определенный угол. Индикатор 10

ЗО направления вращения включается в состояние, соответствующее направлению Вперед", включая в этом же направлении ключи 19.

При повороте ротора на выходе генератора 11 пилообразных напряжений сигнал снижается по линейному зако/ ну (может быть построена схема ВД, работающая и на нарастание сигнала на выходе генератора пилообразных напряжений).

При уменьшении на входе нуль-органа 12 суммы сигналов с генератора )1 и источника смещения ниже сигнала с задатчика 15 на его выходе появляется логическая единица, которая поступает на первый вход логического элемента 16 первого канала управления и первые входы аналогичнь|х элемЕнтов второго и третьего каналов управления. При этом в соответствие с

60-градусной зоной разрешения (наличие логической единицы на втбром входе, например, логического элемента )6 с устройства 20) сигнал с нуль-органа проходит через логический элемент 22 на вход логических элементов 23 и 24 совпадения, на один из первых входов которых поступает ;иг413

8 нал разрешения (логическая единица) длительностью 180 эл. град. через ключи 28 с датчика 9 положения ротора. При наличии двух логических единиц на входе логического элемента 23, на его выходе появЛяется логический нуль, который переключает статический триггер 38. Сигнал на входах логических элементов И-HE 42, 43, 46 и 47 изменяется, что приводит к включению других импульсных устройств и открытию другой пары ключей инвертора 2. При этом ток нагрузки протекает по другим секциям синхронной машины и ротор двигателя начинает поворачиваться на следующие 60 эл.град.

В моменты смены сигналов с каналов датчика положения ротора (через

60 эл.град.) дифференцирующие цепочки 21 пропускают передний фронт сигнала на вход генератора пилообразных напряжений, который приводит генератор в исходное состояние. При дальнейшем повороте ротора сигнал на его выходе вновь снижается по прямолинейному закону и после его уменьшения ниже задающего с задатчика 15 вновь включается нуль-орган и сигнал с него проходит в соответствии с зонами разрешения с устройства 20 и с датчика положения ротора на вход статического триггера, но уже другого канала управления. Вновь происходит переключение ключей инвертора 2 и поворот ротора еще на 60 эл. град .

Синхронная машина работает в двигательном режиме. При этом на выходе узлов 35 и 36 находятся логические единицы, а на выходе логического элемента И†HE 34 — логический нуль, который запрещает прохождение сигнала с датчика положения ротора на логические элементы 29 и 30.. Статический триггер управляется сигналами с нульоргана в соответствии с сигналами зон разрешения с датчиков 9, поступающими через ключи 28 и логические элементы 25 — 27 на входы логических элементов 23 и 24.

При работе ВД в двигательном режиме сигнал па выходе блока 54 определения режима работы соответствует логическому нулю, а на выходе элемента 56 совпадения — логической единице, которая не влияет на состояние статического триггера 57, переключенного сигпдг,амп с блока дифференцирующих цепочек 2) в состояние, когда на

1272413

10 нуль.

9: е го первом выходе н аходит с я { выход логического элемента И-НЕ 64)логичес-; кий нуль, а на его втором выходе {выход логического элемента И-НЕ 63) логическая единица. 5

Сигнал на перевод ВД в тормозной режим или на реверс поступает с системы 6 регулирования тока и скорости.

При этом тиристоры выпрямителя 4 переводятся в инверторный режим, ток секции синхронной машины спадает до

Муля, логическое устройство 37 переключается, переключая ключи 39 таким образом, чтобы фаза сигналов со статических триггеров на входы логических элементов 42-47 сменилась на

180 эл. град. Одновременно в момент переключения логического устройства 37 на одном из его выходов кратковременно появляется логический нуль, который поступает на вход логического элемента И-НЕ 34. На его выходе появляется логическая единица, которая поступает на входы логи- 25 ческих элементов 29 и 30 первого канала управления и входы аналогичных .схем других каналов управления. При этом на их выходах появляются сигналы в соответствии с сигналами датчика 9, приводя в соответствие с ними состояние статических триггеров.

Если в первый момент после исчезновения логического нуля на входе элемента 34 сигналы на выходе нуль35 органов 12-14 равны нулю, то углы уп-" равления тиристоров инвертора 2 устанавливаются в соответствии с датчиком положения ротора, сохраняя свое значение до прихода информации с нуль. органов.

Аналогичным образом происходит обновление информации на входе статических триггеров и при смене направления вращения. При этом в случае переключения индикатора направления вращения через узел 35 дифференцирования фронтов сигналов на входе логического элемента 34 появляется кратковременно логический нуль, а на его

50 выходе - логическая единица, разрешая прохождение сигналов с датчика 9 на вход статических триггеров.

При работе двигателя в тормозном режиме на высокой скорости, когда требуется регулировка углов управления тиристоров инвертора <, например с целью ограничения напряжения на выходе тиристоров инвертора 2., работающих при торможении в выпрямительном режиме {оно не должно превышать противо-ЭДС на входе регулируемого выпрямителя, работающего при торможении в инверторном режиме), на выходе блока 55 сравнения фактического уровня скорости с заданным сохраняется логический нуль, а на выходе элемента 56 совпадения — логическая единица, которая не влияет на состояние статического триггера 57. На выходе блока 54 определения режима работы при торможении двигателя сохраняется логическая единица.

При снижении скорости в тормозном режиме ниже заданной, на выходе блока 55 появляется логическая единица, которая поступает на вход элемента 56 совпадения. При наличии Hà обоих его выходах логических единиц, на его выходе появляется логический нуль, который поступает на вход статического триггера 57 и переключает его в состояние, когда на выходе логического элемента 64 появляется логическая единица, а на выходе логического элемента 63 — логический

При этом на выходе логического эл6 мента 34 появляется логическая единица, разрешающая прохождение сигналов

;с датчика 9 положения ротора через элементы 29 и 30 совпадения, на вход триггера 38, а на выходе инвертируюдего логического элемента 58 появля ется логический нуль, запрещающий прохождение регулируемых по фазе сигналов с нуль-органов 12-14 на входы триггера 38. В дальнейшем торможение происходит с нерегулируемыл1и углами открывания тиристоров инвертора d =0 (по отношению к точке пересечения фазных ЭДС холостого хода синхронной машины).

Если в процессе торможения поступает сигнал на разгон электродвигателя в другом направлении, то после снижения скорости до нуля ток в фазах синхронной машины сохраняется прежним, сохраняется и вращающий момент на ее валу, зависящий от величины тока фаз и их взаимного положения относительно ротора. При этом ротор стремится занять такое положение,ког. да момент становится равным нулю,т.е. когда результирующая ось двух секций совпадает с осью магнитных полюсов

12724!3

11

Йндуктора синхронной машины. Поскольку вращающий момент синхронной машины, стремящийся установить индуктор в данное, положение, совпадает с вращающим моментом двигательного режима другого направления, ротор двигателя начинает поворачиваться в данном направлении. Но до нейтрального положения он не доходит, так как датчик положения ротора вы- 10 дает сигнал на включение других фаз синхронной машины, но уже задним фронтом своего сигнала, длительность которого 180 эл.град. (для другого направления вращения он является пе- 1$ редним фронтом).

Такйм образом, фаза управляющих сигналов с датчика положения ротора

I без дополнительных переключений в цепях управления меняется на 180 эл. 20 град. IIO HomeHH K H H C CHH хронной машины, <а режим работы синхронной машины автоматически меняется с тормозного на двигательный.

При повороте ротора двигателя на определенный угол, соответствующий зоне нечувствительности индикатора направления вращения, сигнал на его выходе меняется, меняется и сигнал на выходе блока 54 определения режи ма работы с логической единицы на логический нуль, соответствующий двигательному режиму работы.

При этом иа выходе элемента 5б совпадения появляется логическая едн-35 ница, не влияющая на состояние статического триггера 57, который при поступлении логического нулевого сигнала на другой его вход с дифференцирующих цепочек переключается в по- 40 ложение, когда на выходе логического элемента бЗ появляется логическая единица, а на выходе логического элемента 64 — логический нуль. Запрет на прохождение регулируемых по фазе 45 импульсов на вход статического триггера 38 снимается, а появляется запрет на прохождение импульсов с датчика положения ротора, не регулируемых по фазе. Процесс реверса эаканчи- 10 вается и в дальнейшем двигатель работает в заданном режиме.

12

Таким образом, благодаря использованию вновь введенных элементов, процесс переключений зон управления тиристоров инвертора вейтильного электродвигателя происходит после смены направления вращения и совпадает с моментом выдачи очередного управляющего импульса на тиристоры инвертора в О, что исключает возможность подключения, в момент перехода скорости двигателя через нуль, секций синхронной машины, не соответствующих заданному направлению вращения.

Это уменьшает дополнительные колебания скорости и повышает надежность работы вентильного электро- двигателя. с

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель по авт.св. 9 970578, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с цЕлью 1 овьппения надежности, в него введены блок определения режима работы, блок сравнения фактического уровня скорости с заданным, элемент совпадения и статический. триггер, первый вход которого через элемент совпадения связан с выходами блока определения режима работы и блока сравнения фактического уровня скорости с заданным, а второй вход через двфференцирующие цепоч ки с выходом датчика йоложения ротора, первый выход статического триггера связан с вторьпГи входами логических элементов совпадения первой группы, а втЬрой выход связан с вторыми входами логических элементов совпадения второй группы, первый вход блока определения режима работы связан с выходом индикатора направления вращения, а второй его вход связан с выходом логического устройства бестокового переключения режимов работы, вход блока сравнейия фактического уровня скорости с заданным связан через дифференцирующие цепочки с выходом датчика положения ротора.

1272413.

Составитель А. Санталов

Редактор А. Шишкина Техред Л.Сердюкова Корректор Л. Патай

Заказ 6345/52 Тираж 631 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открьгтий

1 13035, Москва, )Х-35, Раушская наб., д . 4/5

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