Моментный вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных моментных электроприводах с неограниченным углом поворота ротора. Целью изобретения является повышение динамических характеристик путем компенсации влияния демпфирующего действия вихревых токов. Для достижения цели моментный вентильный электродвигатель дополнительно содержит датчик 14 частоты вращения, датчики 15, 16 напряжения фаз с|бмотки якоря, два преобразователя 17, координат , четыре алгебраических сумматора 19-22, шесть перемножителей 23-28, два интегратора 29, 30 и операционный усилитель 31. В вентильном электродвигателе обеспечивается моделирование вихревых токов в магнитопроводе статора и задание тока в фазах синхрон- О ной машины с учетом демпфирующего действия вихревых токов, 2 ил./Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУБЛИК (1% (И) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н ввтавсвввт ввидвтвъвтвв

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОЯ%ТЕНИЯМ И ОТНРЫГИЯМ

flPH ГКНТ СССР (21) 4430438/07 (22) 26.05.88 (46) 15.04.91. Бюл. М 14 (71) Казанский авиационный ичститут им.А.Н.Туполева (72) А.Ю.Афанасьев (53) 621.313.014.2:621.382(088.8) (56) Столов Л.И. и др. Авиационные моментные двигатели. M.: Машиностроение, 1979, с.58-60.

Авторское свидетельство СССР

N 1277308, кл. H 02 К 29/06, 1986. (54) МОМЕНТНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных моментных электроприводах с неограниченным углом поворо\

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в прецизионных моментных электроприводах с неограниченным углом поворота ротора.

Целью изобретения является улуч шение динамических характеристик путем компенсации влияния демпфирующего действия вихревых токов.

На фиг. 1 изображена функциональная схема моментного вентильного электродвигателя, на фиг. 2 — фазы обмотки реальной и обобщенной электрической машины и их МДС.

Моментный вентильный электродвигатель содержит сихронную машину 1 с синусной 2 и косинусной 3 фазами обмотки якоря, датчик 4 угла, ротор которого механически связан с ротором(И)5 Н 02 К 29/06 Н 02 Р 6 00

2 та ротора. Целью изобретения является повышение динамических характеристик путем компенсации влияния демпфирующего действия вихревых токов. Для достижения цели моментный вентильный электродвигатель дополнительно содержит датчик 14 частоты вращения, датчики 15, 16 напряжения фаз обмотки якоря, два преобразователя 17, 18 icoopдинат, четыре алгебраических сумматора 19-22, шесть перемножителей 23-28, два интегратора 29, 30 и операционный усилитель 31. В вентильном электродвигателе обеспечивается моделирование вихревых токов в магнитопроводе статора и задание тока в фазах синхрон- Я ной машины с учетом демпфирующего действия вихревых токов. 2 ил. индуктором 5 синхронной машины 1, первый 6 и второй 7 усилители мощности.

Выходы усилителей 6, 7 подключены соответственно к синусной 2 и косинусной

3 фазам обмотки якоря через датчики 8, 9 тока, выходы которых подключены к инвертирующим входам усилителей 6, 7 соответственно. Электродвигатель кроме того содержит первый 10 и второй 11 алгебраические сумматоры, первый 12 и второй 13 основные перемножители.

Дополнительно электродвигатель содержит датчик 14 частоты вращения, первый 15 и второй 16 датчики напряжения, первый 17 и второй 18 преобразователи координат, четыре дополнительных алгебраических сумматора

19-22, шесть дополнительных перемво1642558 жителей 23-28, два интегратора 29, 30 и операционный усилитель 31. Первый вход усилителя 31 образует вход задания момента. Датчик 14 частоты вращения механически связан с рото5 ром-индуктором 5 ° Выход датчика 4 угла подключен к управляющим входам первого 17 и второго 18 преобразователей координат, а выход датчика

14 частоты вращения - к первому входу ,"первого дополнительного сумматора 19. и к первым входам первого 23, второго

24, третьего 25 и четвертого 26 дополнительных перемножителей. Выходы 15 первого 23 и второго 24 дополнительных неремножителей подключены ко второму и третьему входам первого дополнительного сумматора 19, а выходы третьего 25 и четвертого 26 дополни,тельных перемножителей — к первому и второму входам второго дополнительного сумматора 20. Синусная 2 и косинусная 3 фазы синхронной машины подключены ко входам первого 15 и вто- 25 рого 16 датчиков напряжения соответственно. Выходы этих датчиков подключены к первому и второму информационным входам второго преобразователя 18 координат. Второй и первый выходы 30 преобразователя 18 подключены соответственно к четвертому входу первого дополнительного сумматора 19 и к третьему входу второго дополнитель-ного сумматора 20. Выходы сумматоров

19 и 2О подключены соответственно ко входам первого 29 и второго 30 интеграторов. Выход второго интегратора

30 подключен ко второму входу второго дополнительного перемножителя 24, к 40 четвертому входу второго дополнительного сумматора 20 и к первым входам первого 10 и второго 11 сумматоров.

Выходы сумматоров 10 и 11 подключены к первым входам первого 12 и второго 45

13 перемножителей соответственно, а выходы перемножителей 12 и 13 под-, ключены ко входам третьего дополнительного сумматора 21. Выход сумматора 21 подключен ко второму входу операционного усилителя 31, выход

50 которого подключен к первым входам пятого 27 и шестого 28 дополнительных перемножителей. Выход первого интегратора 29 подключен ко вторым входам первого 12 основного и четвер-. 55 того 26 дополнительного перемножителей к пятому входу первого допол-! нительного сумматора 19 и к первому входу четвертого дополнительного сумматора 22, Выход сумматора 22 подключен к второму входу пятого дополнитель. ного перемножителя 27, выход которого подключен к вторым входам первого 10 и второго 11 сумматоров,и, первого дополнительного перемножителя 23, пятому входу второго дополнительного сумматора 20 и к первому информационному входу первого преобразователя

17 координат. Выход второго сумматора

11 подключен ко второму входу шестого дополнительного перемножителя 28, выход которого подключен ко второму входу четвертого дополнительного сумматора 22, шестому входу первого дополнительйого сумматора 19, вторым входам второго. основного 13 и третьего дополнительного 25 перемножителей и второму информационному входу первого преобразователя 17 координат.

Выходы преобразователя 17 подключе- ны к прямым входам первого 6 и второго 7 усилителей мощности.

Первый и второй преобразователи координат 17, 18 соответственно реализуют зависимости

Ъ

1 .о .о о

i созв — i sing, .о .о ..о

i5 i sing + i cosa

Ug = U

А в

ro преобразователя 17, соответствующие оптимальным значениям токов синусной 2 и косинусной ,о .с

3 фаз обмотки якоря, i — сигналы на первом и втором входах первого пре« ,образователя 17 соответствующие оптимальным значениям токов продольной и поперечной фаз обмотки обобщенной электрической машины, U, U — напряжения фаз обмотки якоря;

0,. U - сигналы на первом и втором выходах второго преобразователя 18, соответствующие напряжениям продольной и поперечной фаэ обмотки обобщенной электрической машины. .

5 1642558

На третьи входы первого 10 и второго

11 сумматоров поданы постоянные сиг- налы напряжения U1 = РМ11 и U

= РМ1 1 . Первые н вторые входы перS ного 10 и второго 11 основных и чйт .вертого 22 дополнительного суимато- ров имеют входные коэффициенты

P(Lg — Lg), Р(М вЂ” M ) )

1О

Р (М, — М ) 1 (L — L ), Р(М - М ) P(Lg - Ь ).

Пятый, третий, четвертый, первый и P второй входы второго дополнительно- 15

ro сумматора 20 имеют входные коэфв фициенты соответственно

2 ьь, -м,„

LdLd где Р мз, м м, м м г, - м,, - ь.„г, ь(,м - ь м, ьс,ь - м м

Шестой, четвертый, пятый, второй, третий и первый входы первого дополнительного сумматора 19 имеют входные коэффициенты соответственно м„г, - M,, L r, ь 1М, - L Md, -(ь„ь — м,,м ), -(ь м — м м ) 1 .

Второй 30 и первый 29 интеграторы имеют входные коэффициенты число пар полюсов синхронной машины 1, ток обмотки возбуждения ротора-индуктора или обмотки, эквивалентной постоянным магнитам,. взаимные индуктивности между обмоткой возбуждения и продольными фазами обмотки обобщенной электрической машины, соответствующими обмотке якоря и контурам вихревых токов в магнитопроводе статора, индуктивности продольной и поперечной фаз обмоток обобщенной машины, соответствующих обмотке якоря и контурам вихревых токов взаимные индуктивности меж=. ду продольными фазами и между поперечными фазами обмоток обобщенной машины, соответствующими обмотке . якоря и контурам вихревых токов

r, r — активные сопротивления фаз этих обмоток.

Вентильный электродвигатель рабоает следующии образом.

Датчик 4 угла вырабатывает сигал eG,,равный углу поворота роторандуктора 5 и поступающий на входы управления первого 17 и второго 18 реобразователей координат. Датчик

4 частоты вырабатывает сигнал Я, авный частоте вращения ротора-инуктора 5 и, поступающий на первый ход сумматора f9, а также на нерые входы перемножителей 23-26, вьв. ходные сигналы которых поступают на входы сумматоров 19, 20. Датчики 15, 20 16 напряжения вырабатывают сигналы, пропорциональные напряжениям Б, U1 фаз 2, 3 обмотки якоря. Эти сигналы поступают на входы преобразователя 18 координат, на выходах которого

25 вырабатываются сигналы Ug, U, рав" ные напряжениям продольной и поперечной фаз обмотки статора обобщенной машины, соответствующих обмотке OR, и поступающие на входы сумматоров 20, 3О 19 соответственно, Выходные сигналы сумматоров 20, 19 поступают на входы интеграторов 30, 29, вырабатывающих сигналы 1,1, i,, характеризующие токи продольной и поперечной Aas обмотки обобщенной машины, соответствующей обмотке с вихревыми токами.

Сигнал ц поступает на второй вход перемножителя 24, на вход сумt матора 20 и на первые входы суммато4О ров 10, 11,выходные . сигналы которых поступают на первые входы перемножителей 12, 13. Сумма их выходньм сигналов, равная моменту

45 и i P)(I. — 1. )1Д + (и1 — н )1 + >< i )+

+ „, (н — и„)l + (z, — ь ) + mii<), 50 поступает с выхода сумматора 21, на

-второй вход операционного усилителя .31, на первый вход которого подается сигнал, равный требуемому электромагнитному моменту Мо. Операционный усилитель 31 вырабатывает сигнал, эквивалентный множителю Лагранжа, и поступающий на первые входы перемно- . жителей 27, 28.

1642558

Сигнал (поступает на второй вход перемножителя 26, на пятый вход сумматора 19, на второй вход перемножителя 12 и на,первый вход сумматора

22. Выходные сигналы сумматоров 22, 11 поступают на вторые входы пере-множителей 27, 28, на выходах которых .ф .о формируют значения zd, i токов продольной и поперечной фаз обмотки обоб«10 щенной машины, соответствующей.обмотке якоря, согласно равенствам

ig = ) P ((И - М ) + ().g — (.y) iq)) (2) ;

=QP$(Md — М )ig + (Lg - L ) ig +

+ Niii), (3) .о

Сигнал ig поступает на пятый вход сумматора 20, на первый вход преоб- 20 разователя 17 координат, на вторые входы перемножителя 23 и суммато-, ров 10, 11, на третьи входы которых подаются сигналы Ц И и

П = РМ 1 .

Сигнал i поступает на вторые входы перемножителей 13, 25, сум" матора 22, преобразователя 17 координат и на шестой вход сумматора 19..

На выходах преобразователя 17 30 координат формируются оптимальные значения io, i токов синусной 2 и косинусной 3 фаз обмотки якоря, поступающие на входы усилителей 6, 7 мощности, которые питают фазы 2, 1 0 э .()

3 токами 1 i, ъ i< с помощью, датчиков 8, 9 тока. В результате син; хронный электродвигатель 1 развивает требуемый электромагнитный момент М И„ при минимальных потерях 40 в обмотке якоря с учетом вихревых токов в магнитопроводе статора.

Сумматоры 19, 20, интеграторы 29, 30 и перемножители 23-26 формируют 45 текущие значения токов id i(„ согласно системе дифференциальных уравнений, °

= -Mdv< + М ri< + (1. М(1 †. 50 .Й а Ь

" Х И,1)Я1 - Ldiig + (LdL — — р ) 5«Л-Ф

-М, Uq + M ri +(Ь(М,„di — LSM3) Bid - 1(- -(L%L3—

М М )(,)((), И М(М ) (,)Я/I

1

/(т. т. - м ), вытекающий из известных систем дифференциальных уравнений для обобщенной электрической машины

did did

U . = ri + Ь + М вЂ” L Qi Мф фэ (1 4

U =ri +Ь +М вЂ” +L Qi +

ddt )dt

+ N Qi + M Qi „

+L +M -1. Qi

ddt (Д

0= ri

- Nsgi% В

+? — -"+ М вЂ” + L Qig +

di dig — «т

qd fade

0 ri

+ M)Qig +Mggig, Сумматоры 10, 11, 21, 22, перемножители 12, 13, 27, 28 и операционный усилитель 31 вырабатывают опти- мальные значения токов ig ig сог ласно формулам (2), (3), которые получаются в . результате решения методом множителя Лагранжа задачи на условный экстремум-найти токи id i минимизирующие мощность потерь в обмотке якоря и обеспечивающие требуемый электромагнитный момент г(х + i,) 0 min, N(1),, id .,, Lg) М, где момент И определяется равенством (1), следующим из известной формулы для электромагнитного момента обобщенной электрической машины с одной обмоткой на статоре м = Р(у„,„-у ), где((,(1) - потокосцепления продольной и поперечной фаз обмотки статора.

Таким образом, формирование токов в секциях обмотки якоря электрической машины с учетом компенсации демпфирующего действия вихревых токов позволяет повысить динамические характеристики моментного вентильного электродвигателя. Конкретная реализация схемы формирования токов обеспечивает >642558 достижение высоких динамических свойств при минимизации мощности поттерь в обмотке якоря.

Формула изобретения

Моментный вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с синусной и косинусной фазами обмот- g ки якоря, датчик угла, ротор которого механически связан с ротором-индуктором синхронной машины, первый и второй усилители мощности, выходы которых подключены соответственно к си- 15 нусной и косинусной фазам обмотки якоря через датчики тока, выходы кото- . рых подключены к инвертирующим входам соответствующих усилителей мощности, первый и второй алгебраические сумматоры, первый и второй перемножители, отличающийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик путем компенсации влияния демпфирующего действия вихревых токов, 25 введены датчик частоты вращения, первый и второй датчики напряжения, пер вый и второй преобразователи координат, четыре дополнительных алгебраических сумматора, шесть дополнительных О перемножителей, два интегратора и операционный усилитель, первый вход которого образует вход задания момента, датчик частоты вращения механически связан с РотоРом-индуктором, выход датчика угла подключен к управляющим входам первого и второго преобразователей координат, а выход датчика частоты вращения — к первому входу первого дополнительного сум- 4О матора и к первым входам первого, второго, третьего и четвертого дополнительных перемножителей, выходы первого и второго дополнительных перемножителей подключены ко второму 45 и третьему входам первого дополнительного сумматора, а выходы третьего и четвертого дополнительных перемножителей — к первому и второму входам второго дополнительного сум™ матора» синусная и косинусная фазы обмотки якоря подключены ко входам соответственно первого и второго датчиков напряжения, выходы которых подключены к первому и второму информационным входам второго преобразователя координат, второй и первый выходы которого подключены соответственно к четвертому входу первого .o o

iA id co s g

-О ° О °

1. = i s in M - Ц,созК

U U>sin р .а

sin4 > .о

i cosg>

+ "вз "

+ У соз М дополнительного сумматора и к третьему входу второго дополнительного сумматора, выходы которых подключены соответственно ко входам первого и второго интеграторов, выход второго интегратора подключен ко второму входу второго дополнительного перемножителя, к четвертому входу второго дополнительного сумматора и к первым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены к первым входам первого и второго перемножителей соответственно, а их выходы подключены ко входам третьего дополнительного сумматора, выход которого подключен ко второму входу операционного усилителя, выход операционного усилителя подключен к первым входам пятого и шестого дополнительных перемножителей, выход первого интегратора подключен ко вторым входам первого основного и четвертого дополнительного перемножителей, и пятому входу первого дополнительного сумматора и к первому входу четвертого дополнительного сумматора, выход которого подключен ко второму входу пятого дополнительного перемножителя, выход которого подключен к объединенным вторым входам первого и второго сумматоров, второму входу первого дополнительного перемножителя, пятому входу второго дополнительного сумматора и к первому информационному входу первого преобразователя координат, выход второго сумматора подключен к второму входу шестого дополнительного перемножителя, выход которого подключен ко второму входу четвертого дополнительного сумматора, шестому входу первого дополнительного сумматора, вторыми входам второго

1 основного и третьего дополнительного перемножителей и второму информационному входу первого преобразователя координат, выходы которого подключены к прямым входам первого и второго усилителей мощности, причем первый и второй преобразователи координат соответственно реализуют зависимости !

1642558

М}.,г, -M% -Let LdN5- LdMd 30 (таад ИЗИФ) о м м1И1) 14 второй и первый интеграторы имеют входные коэффициенты соответственно

Ь ь -Nd„ сигналы на выходах первого преобразователя координат, соответствую- . 0 щие оптимальным значени-, . ям токов сикусной и коси-, нусной фаз обмотки якоря; сигналы на первом и вто» ром Входах первого реоб 45 разователя координат, со

Т

-o где 1д, .о

В

ll третьи входы первого и второго сум" маторов подключены к источникам опор- ных сигналов с вь}ходными. напряжени- ями соответственно Ц» Р1(1 .и Uy

PMgij, первый, второй основные и четвертый дополнительный сумматоры 0 выполнены по первому и второму вхо»:. - :1} дам с входными коэфФициентами соответственно:: :, . " : 1 >. P(Lg - I ).. P(Mj - M ) у

P(M - М ) Е(т. - Ly) }

У(ид - м4) p P(Ld - Ь%)

15 второй дополнительный сумматор выполнен по пятому, третьему, четвертому первому и второму входам с входными коэффициентами соответственно

М}г. -М . -L r, LdM - L M, ь ь - к к, первый дополнительный сумматор выпол-: нен по шестому, четвертому, пятому, второму, третьему и первому входам с входнмии коэффициентами соответственно

12 i

0 с

L., Lg

Ф ответствующие оптимальным значениям токов продольной и поперечной фаз об- мотки обобщенной электрн ческой машины, 1 — напряжения Фаз обмотки якоря, - - сигналы на первом и втором выходах второго преобразователя координат, соответствующие напряжениям продольной и поперечной фаз обмотки обобщенной электрической машины, - число пар полюсов синхронной машины, — ток эквивалентной обмотки возбуждения ротораиндуктора, - взаимные индуктивности между обмоткой возбуждения и продольными фазаии обмоток обобщенной электрической машины, соответствующих обмотке якоря и контурам вихревых токов в магнитопроводе статора, 1 — индуктивности продольной и поперечной фаз обмоток обобщенной маши-. ны, соответствующих об- мотке якрря и контурам вихревых токов, - взаимные индуктивности между продольными фаза-, ми и между поперечными,: . фазами обмоток обобщенной машины, соответстs x обмотке якоря и . контурам вихревых токов,, " активные сопротивления .фаэ этих обмоток.

1642558

Редактор В, Фельдман

Тираж 336 Подписное

Заказ 1434

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательскии комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.. Гагарина, 101

Составитель В.Горохов

Техред С.Мигунова!

Корректор М.Самборская