Моментный вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах и натяжных устройствах . Целью изобретения является повьшение КПД. Указанная цель достигается тем, что в моментный вентильный электродвигатель введены блоки 19-21 выделения модуля напряжения, стабилизаторы 22, 23 переменного напряжения , однофазные трансформаторы 24, 25, элементсравнения 26, блок 27 умножения, фильтр 28 нижних частот , регулирующий усилитель 29 и управляемый импульсный стабилизатор 30 напряжения. В результате обеспечивается регулирование потребляемой вентильным электродвигателем мощности путем изменения напряжения питания усилителей 6, 7 тока стабилизатором напряжения 30 пропорционально сумме развиваемой им электромагнитной и заданной мощностей. 2 ил. & (Л

СОЮЗ С08ЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ ,РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4146939/24-07 (22) 17. 11. 86 (46) 23.04.88. Бюл. М- 15 (71) .Московский текстильный институт им; А.Н.Косыгина (72) А.М.Ланген и В.A.Ñîëîâüåâ (53) 621.313.13.014.2:621:382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1171916, кл. Н 02 К 29/06, 1985.

Авторское свидетельство СССР

Р 1310962, кл. Н 02 К 19/06, 1985. (54) MOMEHTHbIH. ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах и натяжных устройствах. Целью изобретения является

ÄÄSUÄÄ 1390729 А1 (51)4 Н 02 К 29/06 Н 02 Р 6/02 повышение КПД. Указанная цель достигается тем, что в моментный вентильный электродвигатель введены блоки

19-21 выделения модуля напряженйя, стабилизаторы 22, 23 переменного напряжения, однофазные трансформаторы

24, 25, элемент сравнения 26, блок

27 умножения, фильтр 28 нижних частот, регулирующий усилитель 29 и управляемый импульсный стабилизатор

30 напряжения. В результате обеспечивается регулирование потребляемой .вентильным электродвигателем мощности путем изменения напряжения питания усилителей 6, 7 тока стабилизатором напряжения 30 пропорционально Я сумме развиваемой им электромагнитной и заданной мощностей. 2 ил.

1390729

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрическим машинам с неограниченным углом поворота ротора и может быть использоваЭ

5 но в качестве исполнительного электродвигателя в слецящнх системах и натяжных устройствах.

Целью изобретения является повышение КПД. 1О

На фиг. 1 изображена функциональная схема моментного вентильного электродвигателя; на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений, поясняющие работу электродвигателя. !5

Вентильный электродвигатель содержит двухфазную синхронную машину 1, ротор 2 которой механически соединен с синусно-конинусным датчиком 3 положения ротора, а каждая секция 4 и 5 20 синусной якорной обмотки подключена к выходу соответствующего двухвходового усилителя 6 или 7 тока, имеющего вывод цепи питания, блок 8 сложения, блок 9 вычитания, первый 10 и второй 11 блоки умножения и задатчик

12 электромагнитного момента, выход которого через блок 13 реверса соединен с входом синусно-косинусного датчика 3 положения ротора, а через блок 14 выделения модуля напряжения— с объединенными управляющими входами управляемьгх усилителей 15 и 16, вхо— ды которых подключены к соответствующим вьгходам синусно-косинусного датчика 3 положения ротора. Выходы уси35 лителей 15 и 16 подключены к первым входам двухвходовых усилителей 6 и 7 тока соответственно, вторые входы которых и первые входы блоков 10 и 11 40 умножения попарно объединены и подключены к выходам ссответствующих датчиков 17 и 18 тока, каждый из ко торых включен последовательно с соответствующей секцией синусной якорной обмотки. Кроме того, электродвигатель содержит три блока 19-21 выделения модуля напряжения, два стабилизатора 22 и 23 переменного тока, два однофазных трансформатора 24 и 25, трехвходовый элемент 26 сравнения, третий блок 27 умножения, фильтр 28 нижних частот, регулирующий усилитель 29 и управляемый импульсный стабилизатор 30 напряжения. Второй вход

31 первого блока 10 умножения подклю-55 чен через последовательно соединенные первый однофазный трансформатор 24 и первый стаби. изатор 22 переменного тока к косинусному выходу 32 датчика

3 положения ротора. Второй вход 33 второго блока 11 умножения подключен через последовательно соединенные второй однофазный трансформатор 25 и стабилизатор 23 переменного тока к синусному выходу 34 датчика 3 положения ротора. Выходы первого 10 и второго 11 блоков умножения подключены к соответствующим входам блока 9 вычитания, выход которого через второй блок 19 выделения модуля напряжения подключен к первому входу трехвходового элемента 26 сравнения. Второй вход элемента 26 сравнения подключен через последовательно соединенные фильтр 28 нижних частот и третий блок

27 умножения к выходу блока 8 сложения. Входы блока 8 сложения через третий 20 и четвертый 21 блоки выделения модуля напряжения подключены к выходам соответствующих датчиков

17 и 18 тока. Выход элемента 26 сравнения подключен к входу регулирующего усилителя 29, выход которого подключен к управляющему входу импульсного стабилизатора 30 напряжения.

Выход стабилизатора 30 подключен к второму входу третьего блока 27 умножения и к выводам питания усилителей 6 и 7 тока. Вход стабилизатора

30 и третий вход элемента 26 сравнения подключены соответственно к выходам источников питания и смещения.

Стабилизаторы 22 и 23 переменного тока выполнены одинаково. Каждьгй.нз них состоит из резистора с сопротивлением, превышающим на 1-2 порядка индуктивное. сопротивление первичной обмотки однофазного трансформатора, подключенного с последовательно соединенной с ним первичной обмоткой однофазного трансформатора к соответствующему выходу синуснокосинусного датчика 3 положения ротора.

Каждый стабилизатор переменного тока может быть составлен из двухвходового усилителя тока, к выходу которого подключена первичная обмотка одного из однофазных трансформаторов, первый вход присоединен к одному из выходов синусно-косинусного датчика

3 положения ротора, а второй вход— к выходу датчика тока, включенного в цепь первичной обмотки однофазного трансформатора.

1390729

Моментный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

Выходное напряжение задатчика 12 электромагнитного момента подается на входы первого блока 14 выделения модуля напряжения и блока 13 реверса.

В блоке 13 реверса осуществляется формирование электрического сигнала, определяющего заданное направление развиваемого электродвигателем электромагнитного момента. Этот сигнал поступает на вход синусно-косинусного датчика 3 положения ротора. На его синусном 34 и косинусном 32 выходах при вращении ротора 2 двухфазной синхронной машины 1 возникают два гармонических напряжения с постоянной амплитудой и сдвинутых друг относительно друга на 90 эл. град. С синусного выхода 34 напряжение поступает на вход управляемого усилителя 15, с косинусного выхода 32 — на вход управляемого усилителя 16. С выхода первого блока 11 выделения модуля напряжения на управляющие входы уси-. лителей 15 и 16 подается напряжение постоянной полярности и равное по абсолютной величине выходному напряжению задатчика 12 электромагнитного момента, Коэффициент усиления управляемых усилителей 15 и 16 изменяется прямо пропорционально величине этого напряжения, поэтому амплитуды гармонических напряжений на их выходах также прямо пропорциональны абсолютной величине выходного напряжения задатчика 12 электромагнитного момента. Двухвходовые усилители 6 и 7 то- 40 ка формируют в секциях 4 и 5 синусной якорной обмотки токи, совпадающие по форме и прямо пропорциональные по амплитуде выходным напряжениям управляемых усилителей 15 и 16. Эти токи создают в статоре двухфазной синхронной машины 1 магнитное поле.

В результате взаимодействия его с магнитным полем ротора 2 образуется электромагнитный момент электродвигателя, приводящий его во вращение.

При постоянной величине магнитного поля вдоль полюсов ротора 2 электромагнитный момент электродвигателя прямо пропорционален амплитуде токов в секциях 4 и 5 синусной якорной обмотки, т.е. абсолютной величине выходного напряжения задатчика 12, а его направление определяется поляр2 нос тью выходного напряжения задатчика 12 электромагнитного момента.

Одновременно с этим гармонические напряжения U д U (фиг. 2)- с синусного 34 и с . косинусного 32 выходов синусно-косинусного датчика 3 положения ротора подаются соответственно на входы стабилизаторов 23 и 22 переменного тока. Выходные токи стабилизаторов 23 и 22 переменного тока имеют форму входных напряжений и постоянную амплитуду, а их частота равна частоте выходных напряжений синуснокосинусного датчика 3 положения ротора, т.е. прямо пропорциснальна частоте вращения электродвигателя. Этими токами питаются первичные обмотки соответствующих однофазных трансформаторов 24 и 25. При выполнении условия ненасыщения магнитопроводов однофазных трансформаторов 24 и 25, при амплитудном значении токов первичных обмоток амплитуда магнитного потока в их магнитопроводах постоянна, т.е. не зависит от частоты вращения электродвигателя. Поэтому выходные напряжения однофазных трансформаторов 24, 25 имеют вид

4 (4 т.р, s induc)

U = К W2 — — - -- — — — =.К W ф созыв

25 Н 4с Н 2 трм э (1)

4 (>qyм cosset)

= QW — — -- — — — — = K W ф ыя2.пас

24 2 р (2) где U U2 - напряжения на вторичных обмотках соответственно однофазных трансформаторов .25, 24;

К„ — коэффициент пропорциональности, учитывающий соотношение полного сопротивления вторичных обмоток однофазных трансформаторов 25, 24 и входного сопротивления вторых входов блоков умножения 10 и 11; — число витков. вторичных обмоток однофазных транс. форматоров 25 и 24;

Ф м — амплитуда магнитного потока в магнитонроводах однофазных трансформаторов 25 и 24;

ы — циклическая частота выходных напряжений синусно-косинусного датчика

3 положения ротора; г. †время.

1390729

Эти напряжения также, как и ЭДС секций 4 и 5 синусной якорной обмот-. ки, являются гармоническими и сдвинуты друг относительно друга на

90 эл. град. Кроме того, из выражений (1), (2) следует, что амплитуда выходных напряжений однофазных трансформаторов 24 и 25, поступающих на вторые входы соответственно блоков

11 и 10 умножения, прямо пропорциональна частоте вращения моментного вентильного электродвигателя, т.е. амплитуде ЭДС секций 4 и 5 синусной якорной обмотки двухфазной синхронной машины 1.

На первые входы блоков 10 и 11 умножения подаются соответственно выходные напряжения датчиков 17 и 16 тока.

U К,, Т, з3.пыс; (3)

20 а выходное напряжение блока 9 вычитания U з = U „„- U „прямо пропорционально электромагнитной мощности всего электродвигателя.

При вращении электродвигателя, например по часовой стрелке, выходное напряжение блока. 9 вычитания имеет положительную полярность, а при противоположном врашении — отрицательную полярность. Это объясняется тем, что при реверсировании электродвигателя напряжение. одного из выходов датчика 3 положения ротора, на50 где Б, Б, — выходные напряжения

11 соответственно датчиков

17 и 18 тока, 25

К вЂ” коэффициент пропорциональности между токами секций 4 и 5 синусной якорной обмотки и выходными напряжениями со- 30 ответствующих датчиков

17 и 18 тока;

Х вЂ” амплитуда токов секций

4 и 5 синусной якорной обмотка.

Поэтому на выходах блоков 10 и 11

35 умножения напряжения, абсолютные величины которых прямо пропорциональны электромагнитным мощностям, развиваемым моментным вентильным электродви- 40 гателем при прохождении токов соответственно в секциях 4 и 5. синусной якорной обмотки.

П1а КнКдт1 2ф р.м c s>+

Би" К КдтИ Ф смысоз шс ) (6) 45 пример косинусоидального 33, изменяет свою фазу на 180, что и приводит, как показывает анализ выражений (1) и (6), к изменению полярности напряжения на выходе блока 9 вычитания.

Это наглядно подтверждается и временными диаграммами напряжений, приведенными на фиг. 2. При вращении электродвигателя до момента времени

t„, например по часовой стрелке, напряжения на входах блока 10 умножения и U z в каждый момент времени имеют противоположные полярности, а напряжения на входах блока 11 умножения U » U — одинаковые полярности.

Выходное напряжение блока 10 умножения имеет отрицательную полярность, а выходное напряжение блока 11 умножения — положительную полярность. Полярность напряжения на выходе блока

9 вычитания в этом случае будет положительной.

Противоположному направлению вра-. щения моментного вентильного электродвигателя соответствуют временные диаграммы напряжений с момента времени с . При этом режиме работы электродвигателя фаза напряжения косинусного выхода 32 датчика положения .ротора изменяется на 180, и выходные напряжения блоков 1.0 и 11 умножения и соответственно блока 9 вычитания изменяют свою полярность на противоположную.

Выходное напряжение блока 25 вычитания подается на вход четвертого блока 19 выделения модуля напряжения, с выхода которого на один из входов трехвходового элемента 26 сравнения поступает независимо от направления вращения электродвигателя напряжение положительной полярности и равное по абсолютной величине выходному напряжению блока 9 вычитания. На второй вход трехвходового элемента 26 сравнения поступает выходное напряжение фильтра 28 нижних частот, представляющее собой напряжение отрицательной обратной связи по потребляемой моментным вентильным электродвигателем мощности. На третий вход трехвходового элемента 26 сравнения от источника напряжения смещения подается постоянное напряжение смещения положительной полярности, величина которого прямо пропорциональна сумме номинальных потерь мощности в секциях синусной якорной обмотки 4, 5 и мини1390729 мально возможных потерь мощности в силовых транзисторах двухвходовых усилителей 6 и 7 тока моментного вентильного электродвигателя. Такой выбор величины напряжения смещения

5 обеспечивает работу силовых транзисторов двухвходовых усилителей 6 и 7 тока в усилительном режиме в любом положении ротора 2 двухфазной синх- 1р ронной машины 1 и соответственно выполнение условия синусоидальности форм токов в секциях 4 и 5 якорной обмотки при изменении электромагнитного момента электродвигателя от нуля15 до номинального.

Формирование напряжения обратной связи по потребляемой моментным вентильным электродвигателем мощности осуществляется следующим образом. Вы- 2О ходные напряжения датчиков 17 и 18 тока U1, U д (фиг. 2) поступают на входы соответственно третьего 20 и четвертого 21 блоков выделения модуля напряжения. После сложения их вы-. ходных напряжений U „,U, в блоке 8 сложения его выходное напряжение подается на первый вход третьего блока !

27 умножения. В связи с тем, что напряжение на втором входе третьего бло- 30 ка 27 умножения равно напряжению на выходах цепей питания двухвходовых усилителей 6 и 7 тока, т.е. фактичес= ки подаваемому на моментный вентильный электродвигатель напряжению питания, выходное напряжение третьего блока 27 умножения прямо пропорционально мгновенному значению потребляемой электродвигателем мощности и в установившемся режиме его работы имеет вид, подобный выходному напряжению блока сложения П . Это напряжение сглаживается фильтром 28 нижних частот и поступает на второй вход трехвходового элемента 26 срав- 45 нения.

С увеличением .частоты вращения и заданном постоянном значении электромагнитного момента, т.е. при постоянной амплитуде токов секций 4 и 5 синусной якорной обмотки, электро магнитная мощность моментного вен тильного электродвигателя:возрастает прямо пропорционально его частоте .,вращения. Одновременно прямо пропор-. ционально частоте вращения увеличива- 5 ется амплитуда выходных напряжений однофазных трансформаторов . 24и 25 и соответственно абсолютная величина выходного напряжения блока 9 вычитания. Возрастает напряжение на выходе второго блока 20 выделения модуля напряжения, и увеличивается выходное напряжение трехвходового элемента 26 сравнения.

Напряжение на управляющем входе управляемого импульсного стабилизатора 30 напряжения возрастает, его выходное напряжение увеличивается, и происходит увеличение потребляемой электродвигателем мощности. При этом возрастает выходное напряжение третьего блока 27 умножения и соответственно напряжение на выходе фильтра

28 нижних частот. Это происходит до тех пор, пока оно не станет практически равным сумме напряжения смещения и выходного напряжения второго блока 19 выделения модуля напряжения, т.е. потребляемая электродвигателем мощность равна сумме развиваемой нм электромагнитной мощности и минимально возможной из соображений его нормального функционирования мощности потерь.

При снижении частоты вращения моментного вентильного электродвигателя все происходит наоборот, и при частоте вращения, равной нулю, выходное напряжение второго блока 19 выделения модуля напряжения также равно нулю. Напряжение на выходе фильтра

28 нижних частот становится равным напряжению смещения, т.е. на выходе управляемого импульсного стабилизатора 30 напряжения устанавливается напряжение, при котором потребляемая электродвигателем мощность равна мощности потерь при одновременном обеспечении выполнения условия работы силовых транзисторов двухвходовых . усилителей 6 и 7 тока в усилительном режиме, При работе моментного вентильного электродвигателя с постоянной частотой вращения и увеличении или уменьшенин заданного значения электромагнитного момента пропорционально изменяются выходные напряжения датчиков 17 и 18 тока. В связи с тем что эти напряжения поступают одновременно на первые входы соответст-. вующих блоков 10 и 11 умножения и соответственно на входы третьего 20 и четвертого 21 блоков выделения модуля напряжения, то выходные напряжения второго блока 19 выделения мо1390729

10 дуля напряжения и фильтра 28 нижних частот изменяются также одновременно . и прямо пропорциональна амплитуде выходных напряжений датчиков 17 и 18 тока. Причем при уменьшении заданного

Значения электромагнитного момента из-за наличия на третьем входе трехЗходоваго элемента 2б сравнения постоянного напряжения смещения его выходное напряжение увеличивается. Напряжение на выходе управляемого импульсного стабилизатора 30 напряжения возрастет, и увеличивается выходное напряжение фильтра 28 нижних час- 15 тот. Этот процесс продолжается до ех пор, пока выходное напряжение фильтра 28 становится практически равным сумме напряжения смещения и выходного напряжения второго блока

19 выделения модуля напряжения. При увеличении заданного значения электромагнитного момента электродвигателя все происходит наоборот. При этом в любом случае на выходе управляемо- 25 го импульсного стабилизатора 30 напряжения устанавливается напряжение, при котором потребляемая электродвигателем мощность равна сумме развиваЕмой им электромагнитной мощности и заданной мощности потерь.

Таким образом, моментный вентильный электродвигатель обеспечивает работу с высоким КПД, KOTopbIH достигается за счет регулирования потребляемой им мощности путем изменения

35 напряжения питания усилителей тока при помощи стабилизатора напряжения, пропорционального сумме развиваемой им электромагнитной мощности и за- 4 данной мощности потерь. ф а р м у л а и з обретения

Моментный вентильный электродвиг,àòåëü, содержащий двухфазную синхронную машину, ротор которой механически соединен с синусно-косинусным датчиком положения ротора, а каждая секция синусной якорной обмотки подключена к выходу соответствующего двухвходавого усилителя тока, снабженного выводами цепи питания, блок сложения, блок вычитания, первый и второй блоки умножения и задатчик электромагнитного момента, выход которого через блок реверса соединен с входом синусно-касинусного .датчика положения ротора, а через первый блок вьщеления модуля напряжения — с объединенными управляющими входами двух управляемых усилителей, входы которых подключены к соответствующим выходам синусно-косинусного датчика положения ротора, а выходы — к первым входам двухвходавых усилителей тока, вторые входы которых и первые входы блоков умножения попарно объединены и под- ключены к выходам соответствующих датчиков тока, каждый из которых включен последовательно с соответствующей секцией синусной якорной обмотки, о т л и ч а ю щ и и а я тем, что, с целью повышения К1Щ, введены три блока выделения модуля напряжения, два стабилизатора переменного тока, два однофазных трансформатора, трехвходовой элемент сравнения, третий блок умножения, фильтр нижних частот, регулирующий усилитель и управляемый импульсный стабилизатор напряжения, при этом второй вход первого блока умножения подключен через последовательно соединенные первый однофазный трансформатор и первый стабилизатор переменного тока к косиб нусному выходу датчика положения ротора, второй вход второго блока умножения подключен через последовательно соединенные второй однофазный трансформатор и второй стабилизатор переменного тока к синусному выходу датчика положения ротора, выходы первого и второго блоков умножения подключены к соответствующим входам блока вычитания, выход которого через второй блок вьщеления модуля напряжения подключен к первому входу трехвходового элемента сравнения, второй вход которого подключен через последовательно соединенные фильтр нижних частот и третий блок умножения к выходу блока сложения, входы которого через третий и четвертый блоки вьщеления модуля напряжения .подключены к выходам соответствующих датчиков тока, выход трехвходового элемента сравнения подключен к входу регулирующего усилителя, выход которого подключен к управляющему входу импульсного стабилизатора напряжения, выход которого подключен к второму входу третьего блока умножения .и к выводам питания усилителей тока, а вход стабилизатора напряжения и третий вход трехвходавого элемента сравнения подключены соответственно к выходам источников питания и смещения.

1390729 а17 7

ФР8 2

Составитель А;Иванов

Техред А. Кравчук Корректор А. Обручар

Редактор С.Патрушева

Тираж 665

Заказ 1778/52

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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