Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике . Целью изобретения является расширение диапазона регулирования и повышение КПД. С этой целью вентильный электродвигатель снабжен реле 26-30 с зймыкамщими контактами, реле 31 с размыкающим .контактом, автотрансформатором (AT) 19. Реле 26-30 включены соответственно между выводами первичной обмотки 21 AT 19 и импульсными регуляторами напряжений (ИРН) 15, 16, выходами выпрямителей 24, 25 и управлякщими входами реле 26., 27, между выходом генератора 12 пилообразного напряжения и входом широтно-импульсного модулятора (ПШМ) 32. Реле 31 соединяет выход генератора 12 с входами П1ИМ 13, 14, включенных меж

союз советских

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИК

РЕСПУБЛИН (ц 4 H 02 К 29/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1350773 (21) . 4206617/24-07 (22) 06 ..03.87 (46) 30.09.88, Вкл. В 36

{72) Г,Б. Михайлов, В.Д, Косулин и В В. Омельченко (53) 621.313 13г014,2:621.382(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1350773 ° кл. Н 02 К 29/00, 1984. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования и повышение КПД. С этой целью вентиль„„SU„„1427508 A 2 ный электродвигатель снабжен реле

26-30 с замыкающими контактами, реле 31 с размыкающим контактом, автотрансформатором (AT) 19 ° Реле 26-30 включены соответственно между выводами первичной обмотки 21 АТ 19 и импульсными регуляторами напряжений

{ИРН) 15, 16, выходами выпрямителей

24, 25 и управляка нми входами реле 26., 27, между выходом генератора 12 пилообразного напряжения и входам широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 32.

Реле 31 соединяет выход генератора 12 с входами ШИМ 13, 14, включенных меж1427508 ду фазочувствительным выпрямителем 11

-и управляющими входами ИРН 15, 16 соответственно, Управление секциями

1-4 обмотки вентильного электродвигателя осуществляется посредством транзисторов 5-8 коммутатора по сиг-! налам датчика 9 положения ротора через формирователь 10 эоны коммутации. Секции 1, 2 и 3, 4 шунтированы диодами 17, 18. Средняя точка обмотки 2 1 AT подключена к ИРН 34, вход к-рого объединен с входами ИРН 15,.

16 и подключен к плюсовому зажиму источника питания. ИРН 15, 16 подклюИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильных электроприводах с широким диапазоном регулирования и в моментных электроприводах.

Целью изобретения является расширение диапазона регулирования, повышение КПД.

На фиг. 1 изображена функциональная схема вентильного электродвига-. теля (ВД); на фиг. 2 — диаграммы, по» ясняющие процессы формирования токов и напряжений в якорной обмотке ВД; на фиг. 3 диаграммы процессов в

ВД при его работе с автотрансформатором; на фиг, 4 — противоЗДС в ВД при включении автотрансформатора, на фиг. 5 — механическая характеристика ВД.

Вентильный электродвигатель содержит poÃÎ двухфазную обмотку якоря состоящую из четырех секций 1-4 по две сдвинутые на 180 эл.град секции в каждой фазе, последовательно с каждой секцией соединены транзисторные ключи 5-8, образуя две ячейки коммутации, причем начало одной секции

1(3) и конец другой 2(4) каждой фазы объединены, выходы транзисторных ключей 5-8 объединены и подключены к первому зажиму цепи питания. Управ.пяющие входы ключей 5-8 связаны с выходом аналогового датчика 9 положения ротора через формирователь 10 зочены к общим точкам секций соответственно 1, 2 и 3, 4. Диод 35 включен между отрицательным зажимом источника питания и средним выводом обмотки 21. Пороговый блок связан с выходами выпрямителя 11 и управляющими входами реле 30, 31. B электродвигателе осуществляется автоматическое переключение из режима ШИМ в режим работы с AT 19. Переключение происходит в момент, когда дальнейшее регулирование в режиме ШИП невозможно, 5 ил. ны коммутации транзисторных .ключей, большей 180 эл.град, фазочувствительный .выпрямитель (ФЧВ) 11, генератор

12 пилообразных импульсов. Каждый канал усиления сигнала для соответствующеР ячейки снабжен широтно-импульсным модулятором (ШИИ) 13, 14, импульсным регулятором 15, 16 напряжения и диодом 17, 18. Причем в каж-10 дом канале усиления выходы анапогового датчика 9 положения ротора связаны через формирователь 10 зоны коммутации транзисторных ключей 5-8 с

„-правляющими входами ключей 5-8 ячеек

15 коммутации и с входом ФЧВ 11. Выход

ФЧВ 11 соединен с первьпи входами

ШИМ 13, 14 Импульсный регулятор

15(16) напряжения подключен последовательно между общей точкой секции

20 каждой фазы 1 и 2 (3 и 4) и вторым зажимом цепи питания, входы ШИМ 13, 14 подключены к управляющим входам импульсных регуляторов 15, 16 напря25 жения, каждая ячейка коммутации шунтирована диодом 17, 18 в обратном направлении, а выход генератора 12 пилообразных импульсов подключен к второму входу каждого ШИМ 13, 14.

Дополнительно электродвигатель содер-

30 жит автотрансформатор 19 с первичной обмоткой 20, 21 и со средней точкой и двумя выходными обмотками 22, 23; два выпрямителя с фильтрами 24, 25, первое 26 и второе 27, третье 28, 35 четвертое 29 и пятое 30 реле с замы142 7508

10

20 кающими контактами, реле 31 с размыкакщими контактами; третий ШИМ 32, пороговый блок 33 и третий импульсный регулятор 34, и третий диод 35.

Начало первичной обмотки 20 авто трансформатора падсоединена через

I нормально разомкнутые контакты первого реле 26 к средней точке первой фазы якорной обмотки с секциями 1, 2, а конец первичной обмотки 21 подсоединен через нормально разомкнутые контакты второго реле 27 к средней точке второй фазы якорной обмотки с секциями 3, 4. Управляющий вход первого реле 26 через замыкающие контакты третьего реле 28 подключен. к выходу первого выпрямителя с фильтром 24, а его вход подсоединен к первой выходной обмотке 22. Управляющий вход второго реле 27 через замыкающие контакты четвертого реле

29 подключен к второму выходу выпрямителя с фильтром 25, а его вход подсоединен к второй выходной осмотке 23 г автотрансфарматора 19. Средняя точка последнего через третий .импульсный регулятор 34 подсоединена к "плюсовой" шине источника питания .Управляющий вход импульсного регулятора

34 подсоединен к выходу третьего ШИМ

32, а его вход подсоединен через замыкающие контакты пятого реле 30 к выходу генератора 12 пилообразных с напряжений. Выход генератора 12 пилообразных напряжений подключен также к первому 13 и второму 14 ШИМ через реле 31 с размыкающими контактами. Выходы ФЧВ 11 подключены к входу порогового устройства 33, а его выход подключен к управляющим входам третьего 28, четвертого 29 и пятого

30 реле с эамьп<ающими контактами и входу реле 3 1 с размыкающими контактами, третий диод 35 подключен ано.дом к минусовой шине источника питания, а катодом — к средней точке автотрансформатар а 19.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При подаче напряжения питания на схему сигналы с датчика 9 положения ротора (ЛПР) через формирователь 10 эоны коммутации поступают на управляющие входы транзисторных ключей

5, 6 и 7, 8, которые находятся каждый в открытом состоянии в течение угла поворота датчика 9 положения ротора, большего 180 эл..град со

55 сдвигом, задаваемым датчиком 9 положения ротора. Одновременно сигналы с датчика 9 положения ротора через

ФЧВ 11 поступают на ШИМ 13 и 14, где происходит сравнение огибающей выходного сигнала датчика 9 положения ротора и пилообразного напряжения, поступающего с выхода генератора 12 пилообразных импульсов через нормально замкнутые контакты реле 31. В результате на выходе ШИМ 13, t4 имеем последовательность импульсов, дли. .тельность которых определяется частотой импульсов генератора 12 пилообразных напряжений и величиной выходного сигнала датчика 9 положения ротора.

Эти импульсы поступают на управляющие входы импульсных регуляторов 15, 16 напряжения, которые изменяют напряжение на секциях 1-4 обмотки электродвигателя по закону, задаваемому формой огибающей выходного сигнала датчика 9 положения ротора. Ксммутад я транзисторных ключей 5, 6,и 7, 8 праисхацит.- с частотой„ равной частоте вращения магнитно-движущей силы (м.д.с.), создаваемой якорной обмоткой, а коммутация импульсньк регуляторов 15, 16 напряжения обеспечивает формирование на средней тачке каж,;сй из двух фаз якорной обмотки напряжения по закону синуса и косинуса (широтно-импульсное напряжение на средней точке каждой иэ двух фаз имеет вид выпрямпя синусоиды или косинусоиды). Наличие диодов 17 и 18 и расширенная зона коммутации транзисторных ключей 5-8 (в пределах 190195 эл,град) позволяют получить в якорных секциях ВД непрерывный так и исключить перенапряжения, связанные с индуктивным характером нагруз ки. Сигнал с датчика 9 положения, промадулираванный частотой вращения вала, изображен на фиг. 2а. Форммраватель 10 зоны коммутации, состоящий из фазачувствительных выпрями— телей и триггеров Шмидта, позволяет получить на выходе сигналы для управления транзисторными ключами 5-8 с зоной коммутации 185-195 эл.град.

Кроме того, наличие фазачувствительных выпрямителей в формирователе 10 позволяет. осуществлять при неабходимости реверс электродвигателя. На фиг. 2в, б изображены диаграммы напряжений на выходе формирователя для одной фазы (транзисторные ключи

142 7508

5 и 6) . Одновременно сигнал с ДПР (фиг. 2а) поступает на вход ФЧВ 11 (на фиг. 2 изображены сигналы для одной фа ы). С выхода ФЧВ 11 сигнал (фиг.2r) поступает на ИИИ 13, 14, 5 где преобразуется по закону синуса (фиг. 2д, е) и косинуса (не показан) с оцновременным выпрямлением одной из полуволн сигнала (в данном случае отрицательной фиг. 2д, е}, Потребляемый ток от источника одной фазы i»p представлен на. фиг, 2е. Транзисторы

5, 8 осуществляют поочередную коммутацию секций якорной обмотки при пе-. реходе напряжейия ДПР 9 через нуль, и по обмоткам в фазе протекает непрерывный ток (фиг. 2e) i, i<, гце . - ток в секции 1, хо - ток в секции 2. Несмотря на то, что НрН коммутации с расширенной зоной возн««лк а ет уг Ол с ., когда в каждой „ «ÿ ç»=

oqнОзременно о rкрьГты Tpанзисторные ключи 5,„6 и 7, 8, динамического тормозного момента не создается, так 25 как диоды 17, 18 могут быть открыты только напряжением порядка 1В. Изменяя величину выходного напряжения

ДПР 9, можно в широких пределах регу"

» лировать электромагнитньй момент .; 30 электродвигателя. Когда амплитуда сигнала с ДПР 9 будет равна амплитуде Hапряжения U«Ä с генератора 12 пичообраэньп. импульсов (фиг, 2д) „ "="ro будет соответствовать номинально35 му реялму к гаксимальному значению

КПД ВД. Дальнейшее увеличение частоты вращения вала электродвигателя за счет перекрытия ИП4 нецелесообразно, так как приведет к снижению ПД за 4О счет резкого ухудшения гармонического состава тока из-за несоответствия формы ЭДС (синусоидальная) и напряжеьп:я на секции (трапецеидапьное или еще хуже прямоугольное). Поэтому при достижении амплитуды напряжения с

ФЧВ 1 "аданной величины соответству»ощий максимальному значению и равной Поп, срабатывает пороговьп блок 33.

Сигнал высокого уровня с выхода лоро" 5О гового блока 33 поступает на управляющие входы реле 31. с размыкающими контактаы, репе 28, 29, 30 с замыка" ющими контактами. При этом реле 31 откл,-очит генератор 12 пилообразных напря кений и импульсные регуляторы

15, 16 напряжения отключат секхди якорной обмотки от плюсовой шины ис точника питания. Одновременно реле

28, 29 подключат к управляющим входам реле 26, 27 выпрямителя с фильтром 24, 25, реле 26, 27 замкнут свои контакты и подсоединят, например, начало первичной обмотки 20 автотрансформатора 19 к средней точке первой фазы с секциями 1, 2 якорной обмотки ВД, а конец первичной обмотки

21 - соответственно к средней точке .второй фазы с секциями 3, 4. Одновременно через реле 30 сигнал с генератора 12 пилообразных импульсов по ступает на вход третьего ШИМ 32, с выхода которого сигнал поступает на управляющий вход .третьего импульсного регулятора 34, Изменением ампли туды напряжения управления Уп регулируют длительность импульсов напряжения на средней точке автотрансформатора 19 . Длительность импульсов на вхоце третьего импульсного регулятора 34 напряжения выбирают так, чтобы частота вращения вала при пеореключении на работу с автотрансформатором не изменялась.

Рассмотрим процессы, протекающие в двигателе при его работе с автотрансформатором. На фиг. За и б представлено напряжение противоЭДС на средних точках фаз ВД 1«, и 1g сдвинутых между собой в пространстве на

90 эл .град. относительно минусовой пины источника питания. На фиг.4 показана иплюстрация возникновения противоЭДС 1„ и 1 на средних точках фаз вентильного двигателя, При включении между средними точками фаз якорной обмотки автотрансформатора

19 с секциями 20, 21 и в соответствии с порядком их намотки и подключением на начале и конце первичной обмотки 20, 21 появляется напряжение двойной частоты по отношению к частоте

ЭДС и амплитудой, равной амплитуде

ЭДС и формой, приближенной к треугольной (фиг ° Зг).Так как автотрансформатор 19 имеет среднюю точку, которая через третий импульсный модулятор 34 подключена к плюсовой шине источника питания, то напряжение треугольной формы и двойной частоты, но с амплитудой, равной половине ЭДС вращения, оказывается приложенным в фазе и противофазе к якорным секциям вентильного двигателя. При этом суммарное напряжение на коммутиру-, еыях секциях, т.е. напряжение тре1427508 угольной формы и ЭДС секции, становится близким к прямоугольному (фиг. Зг, д), а на закрытом транзисторе в каждой фазе напряжение равно, например, на холостом ходу U 11д +

+ 1 + — 12,51 2,50д (фиг.3е). Благодаря включению автотрансформатора

19 и коммутации якорных секций с уг10 лом открытого состояния 185-195 эл.град. ,амплитуда напряжения на коммутируемых секциях возрастает на холостом ходу в 1,5 раза, а далее с увеличением нагрузки на валу уменьшается про15 порционально ЭДС.

На фиг. 5 представлены две механические характеристики при максимальном напряжении управления: К вЂ” при синусоидальной модуляции и М - при работе с автотрансформатором.

Регулируя начальную ширину импульсов на выходе IUHM регулятора 34, можно в широких пределах регулировать точку перехода с характеристики К на механическую характеристику M.

Диод 35 подцерживает в якорных секциях непрерывный ток при работе

ШИИ регулятора 34. 30

Таким образом, расширение диапазо-на частот вращения вала и повышение

КПД осуществляется за счет автоматического переключения электродвигателя из Режима его работы по синусоидальной IIIHM в режим работы с автотрансформатором. Переключение происходит в тот момент, когда дальнейшее регулирование в режиме синусоидальной ШИМ невозможно (насыщение по уп- 40 равлению). При этом на естественной механической характеристике электродвигатель при работе с автотрансформатором имеет максимальный КПД, так как отсутствуют динамические потери 45 на несущей частоте ШИМ, а форма напряжения на фазных обмотках близка к синусоидальной.

Формула изобретения 50

Вентильный электродвигатель IIQ авт. св. и 1350773, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования„ повышения КПД, в него дополнительно введены автотрансформатор, снабженный первичной обмоткой со средней точкой и двумя выходными обмотками, два выпрямителя с фильтром, пять реле с замыкающими контактаьж, шестое реле с размыкающим контактом, третий широтно-импульсный модулятор, пороговый блок, третий импульсный регулятор и третий диод, причем начало первичной обмотки автотрансформатора соединено через замыкающий контакт первого реле со средней точкой фазы якорной обмотки, а конец первичной обмотки автотрансформатора через pasмыкающий контакт второго реле— с средней точкой второй фазы якорной обмотки, управляющий вход первого реле через размыкающий контакт третьего реле подключен к выходу первого выпрямителя с фильтром, вход которого подключен к первой выходной обмотке, управляющий вход второго реле через замыкающий контакт четвертого реле подключен к выходу второго выпря пттеля с фильтром, входом подключенного к второй выходной обмотке автотрансформатора, средняя точка первичной обмотки автотрансформатсра через третий импульсньцт регулятор соединена с плюсовой шиной источника питания, управляющий вход третьего импульсного регулятора подключен к выходу третьего широтно-имтульсного модулятора; вход которого через замыканзций контакт пятого реле подключен к выходу генератора пилообразных напряжений, выход которого подключен к входам первого и второго широтноимпульсных модуляторов через размыкающий контакт шестого реле, выходы фазочувствительного вьптрямителя под( ключены к входам порогового блока, выход которого соединен с управляющи ми входами третьего, четвертого, пятого и шестого реле, третий диод подключен анодом к минусовой шине источника питания, а катодом — к средней точке первичной обмотки автотрансформатора.

1427508

1427508

ИА г и„-е--ю

1 г

1427508

Фов, 5

Составитель А. Иванов

Техред Л.Олийнык Корректор B- Романенко

Редактор М. Келемеш

Заказ 4861/52 . Тираж 666 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам йзобретений и открытий

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

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