Вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности. С этой целью введены резистор 32, диоды 26 - 29, 33 - 40 и транзисторный ключ 25 прямой проводимости. Коллектор транзистора 25 подключен к зажиму цепи питания, а эмиттер соединен с катодами диодов 26, 27, аноды которых соединены с секциями 2, 3 и 4, 5 ячеек коммутации 10, 11 соответственно и с катодами диодов 28, 29. Диод 28 включен между импульсным регулятором 23 напряжения и ячейкой 10 коммутации, а диод 29 - между импульсным регулятором 24 напряжения и ячейкой 11 коммутации. База транзисторного ключа 25 соединена с катодами третьей пары диодов 30, 31, аноды которых подключены к анодам второй пары диодов 28, 29, и через резистор 32 подключена к анодам четвертой и пятой пар диодов 33, 34 и 35, 36, катоды которых подключены соответственно к выводам секций 2 - 5 фаз двигателя, соединенных в ячейках коммутации с транзисторными ключами 6 - 9, шунтированными обратными диодами 37 - 40. В результате обеспечивается автоматический перевод электродвигателя в режим торможения в переходных режимах работы и в аварийных ситуациях. 1 ил.

СОЮЗ СОНГ ГСКИХ

cot иллистичЕСКих

Р Е Сll Yh J)UlK (19) () I) (sI)s Н 02 К 29/06

Г ОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕ Т

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTKPblTVIRM пРи Гкнт сссР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (61) 1350773 (2 1) 4736590/07 (22) 11.09.89 (46) 15,08.91. Бюл. N 30 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) Ю.Ф. Михеев, А.Е. Лапа, С.Л. Пахомов и

И.А, Янущик (53) 621,313,13.014:621.382(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1350773, кл. Н 02 К 29/06, 1987. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности. С этой целью введены резистор

32, диоды 26 — 29, 33 — 40 и транзисторный ключ 25 прямой проводимости. Коллектор транзистора 25 подключен к зажиму цепи питания, а эмиттер соединен с катодами диодов 26, 27, аноды которых соединены с секциями 2, 3 и 4. 5 ячеек коммутации 10, 11 соответственно и с катодами диодов 28. 29.

Диод 28 включен между импульсным регулятором 23 напряжения и ячейкой 10 коммутации, а диод 29 — между импульсным регулятором

24 напряжения и ячейкой 11 коммутации.

О

4 (Л ,()

)>

1670753

50 фазочувствительного выпрямителя модулированные по длительности импульсы формиБаза транзисторного ключа 25 соединена с катодами третьей пары диодов 30, 31, аноды которых подключены к анодам второй пары диодов 28, 29, и через резистор 32 подключена к анодам четвертой и пятой пар диодов

33, 34 и 35, 36, катоды которых подключены соответственно к выводам секций 2-5 фаз

Изобретение относится к электротехнике.

Целью изобретения является повышение надежности.

На чертеже приведена принципиальная схема вентильного электродвигателя, Вентильный электродвигатель содержит двухфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе 1 и четырехсекционную обмотку на якоре, секции 2, 3 и 4, 5, которой принадлежат соответственно первой и второй фазам. Последовательно с секциями 2, 3 и 4, 5 соединены транзисторные ключи 6, 7 и 8, 9 соответственно, которые образуют вместе с секциями две ячейки коммутации 10 и 11, которые зашунтированы диодами 12 и 13. В ячейках коммутации

10 и 11 начало секции 2 соединено с концом секции 3, а начало секции 4 — с концом секции 5, а выходы транзисторных ключей

6-9 объединены и подключены к первому зажиму цепи питания. На валу синхронного двигателя установлен датчик 14 положения ротора (ДПР), выходные обмотки 15 и 16 которого через формирователь 17 зоны коммутации транзисторных ключей соединены с управляющими входами тра нэисторн ы х ключей 69, а также с входами фаэочувствительных выпрямителей 18 и 19 соответственно. Выход генератора 20 пилообразного (опорного) напряжения соединен с входами широтноимпульсных модуляторов (преобразователей)

21 и 22, к другим входам которых подключены выходы фазочувствительных выпрямителей

18 и 19, а выходы широтно-импульсных преобразователей 21 и 22 соединены соответственно с управляющими входами импульсных регуляторов 23 и 24 напряжения, подключенных к второму зажиму цепи питания.

К первому зажиму цепи питания схемы подключен коллектор дополнительного транзисторного ключа 25 прямой проводимости, эмиттер которого соединен с катодами диодов 26 и 27 первой пары. Аноды диодов 26, 27 соединены с объединенными выводами секций 2, 3 и 4, 5 в ячейках коммутации 10 и

11 соответственно, и с катодами диодов 28, 29 второй пары, которые включены в прямом направлении между каждым импульсным регулятором 23 и 24 ячейкбй коммутации 10 и

45 двигателя, соединенных в ячейках коммутации с транзисторными ключами 6-9, шунтированными обратными диодами 37-40. В результате обеспечивается автоматический перевод электродвигателя в режим торможения в переходных режимах работы и в аварийных ситуациях. 1 ил, 11 соответственно. База транзисторного ключа 25 прямой проводимости соединена с катодами диодов 30, 31 третьей пары, соединенных анодами с анодами диодов 28 и

29 второй пары соответственно, один вывод резистора 32 подклюяен к анодам диодов 35, 36

34 четвертой пары и к анодам диодов 35, 36 пятой пары, а другой вывод резистора — к базе транзисторного ключа 25. Катоды диодов 33-36 подключены к выводам секций

2 — 5 фаз двигателя, соединенным в ячейках коммутации с транзисторными ключами 69, шунтированных обратными диодами 3740 соответственно.

На чертеже показан задатчик скорости

41, соединенный через модулятор 42 с входной обмоткой 43 датчика положения ротора.

Модулятор 42, фазочуествительные выпрямители 18, 19 выполнены на операционных усилителях с ключами на входе, которые управляются от отдельного генератора прямоугольных напряжений. используемого также для формирования опорного пилообразного или треугольного напряжения в генераторе 20.

На выходе фазочувствительных выпрямителей установлены фильтры нижних частот.

В широтно-импульсных преобразователях 21, 22 реализуется принцип сравнения напряжения управления(напряжение с выхода фаэочувствительного выпрямителя) с опорным треугольным разнополярным напряжением, формируемым генератором 20.

Каждый широтно-импульсный преобразователь выполнен на двух компараторах и двух логических элементах И и ИЛИ вЂ” НЕ. На одном компараторе осуществляется сравнение выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя с опорным треугольным напряжением„на другом — с инвертированным опорным напряжением. Формирование опорных напряжений происходит с помощью интегратора и инвертора, выполненных на операционных усилителях. Выходы компараторов подключены к входам элементов И и ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к входам логического элемента ИЛИ. При положительной полуволне напряжения с выхода

1670753 руются на выходе элемента И, при отрица11льной полуволне на выходе элемента

ИЛИ НЕ а на выходе элемента ИЛИ импульсы формируются в течение всего периода напряжения управления, На выходе элементов ИЛИ в каждом широтно-импульсном преобразователе 21 и 22 установлен промежуточный усилитель, соединенный с логическим элементом ИЛИ посредством опто-электронно о прибора, представляющего собой двухполя рный усилитель мощности, выполненный на комплементарных транзисторах. Выход усилителя мощности является выходом широтно-импульсного преобразователя.

Формирователь 17 зоны коммутации преобразует синусоидальные напряжения с выходных обмоток датчика положения ротора

14 в прямоугольные напряжения и выполнен на двух компараторах, двух инверторах и четырех двухполярных усилителях мощности, идентичных с усилителями мощности в широтно-импульсных преобразователях. Выходы усилителя мощности подключены к управляющим. входам транзисторных ключей

6-9, в качестве которых использованы транзисторы с всгроенными обратными диодами. В качестве s ранзисторного ключа 25 прямой проводимос. и и;.польэован транзистор, выполнеíHûè по схеме Дарлингтонэ.

Импульсные регуляторы напряжения 23, 24 предс 1-авля 1 т собой транзисторные усилители, работающие в ключевом режиме.

Бентил ный электродвига гель рлботает следующим образом.

Фсрмируемое с помощью эадатчика 41 скорости управляющее напряжение Uy по;туг1аг.г на вход модулятора 42. Выходное напряжение Mîäóëятора — амплитудно-модулированный ргэнополярный электриче схий игнал постоян 1ой частоты посгупает на входную обмог;у 43 датчика положения ротора ДПР 14, например синусно-косинусного вращающегося трансформатора, согласованного по количеству полюсов с синхронным двигателем, При этом на выходных обмотках

15 и 16 ДПР формируются модулированные напряжения, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора 1 двигателя оп1осительно статора (як1р11, и одновременно зависят от характера и амплитуды выходного напряжения эадатчика скорос-1И, Огибающие переменных напряжений на обмотках 15 и 16 ДПР описываются уравнениями

01s = Uy К ййфр

0;„=- Uy.K COSP, где К вЂ” коэффициент трансформации ДПР:

55 р- угол поворота ротора 1 электродвигателя;

P — число пар полюсов ДПР.

Напряжения 01в и 01в с выходных обмоток ДПР поступают на формирователь 17 зоны коммутации и на входы фаэочувствительных выпрямителей (ФЧВ) 18, 19, При этом на выходах ФЧВ формируются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе на 90О, амплитуда которых пропорциональна напряжению Uy, т.е, 01в = Uy K Кф slAPp

U19 = Uy К Кф COSPp где Кф — коэффициент усиления фаэочувствительных выпрямителей 18, 19, а на прямых выходах формирователя 17 зоны коммутации в положительный полупериод напряжений 015 и 016 формируются импульсы прямоугольной формы с длительностью, соответствующей зоне коммутации ак>180 на включение, например, транзисторных ключей 6. 8 ячеек коммутации 10, 11. В отрицательный полупериод напряжений на выходных обмотках ДПР формирователь 17 формирует на инверсных выходах прямоугольные импульсы на включение транзисторных ключей 7, 9 ячеек коммутации, при этом ранзисторные ключи 6, 8 закрыты, Выходные напряжения ФЧВ 18, 19поступают -1а широтно-импульсные преобразователи (Ш ИП) 21, 22, где происходит сравнение их с выходным напряжением генератора 20, При этом на управляющих входах импульсных регуляторов напряжений 23 и 24 формируется последовательность поямоугольных импульсов, скважность которых опрЕделяется частотой импульсов генератора 20 и изменяется пропорционально выходному напряжению фаэочувствительных вып рями1елей. Предположим, что при появлении положительного управляющего напряжения

Uy на выходе задатчика скорости 41 фаза напряжения на выходе мгдулятора 42 такова, что на выходных обмотках 15, 16 ДПР и выходах ФЧВ начинают формироваться положительные полуволны синусоидального напряжения. В этом случае на выходах ШИП

21, 22 появляются модулированные по длительности прямоугольные импульсы, а на прямых выходах формирователя 17 появляются прямоугольные импульсы, включающие транзисторные ключи 6 и 8 ячеек коммутации 10 и 11. В течение импульса ШИП импульсный регулятор напряжения (ИРН) 23 (24) открыт, и ток от полюса источника питания протекает по цепи: ИРН 23 (24), диод 28 (29), секция 2 (4) фазы двигателя, транзисторный ключ 6 (8), минус источника питания. Пока открыт ИРН 23 (24) и по диоду 28

1670753

10

20

45

55 (29) протекает ток, база транзисторного ключа прямой проводимости (ТКПП) 25 оказывается соединенной через диод 30 (31) с положительной шиной источника питания, а падение напряжения на диоде 28 (29), является для его входной цепи запирающим (плюс на базе, минус на аноде диода 26/27), и. следовательно, ТКПП 25 во время действия импульса управления закрыт. По окончании действия импульса управления, когда

ИРН 23 (24) перейдет в режим отсечки (полностью закроется) секция 2 (4) отключается от источника питания, но так как транзисторный ключ 6 (8) остается открытым, то ток в секции 2 (4) продолжает протекать в том же направлении за счет запасенной в индуктивности секции магнитной энергии, замыкаясь в контуре: секция 2 (4), открытый транзисторный ключ 6 (8), обратный диод 12 (13). В дальнейшем, во время действия импульсов управления ШИП 21 (22), через включенные ИРН 23 (24) и транзисторные ключи 6 (8) обеспечивается протекание тока по секциям 2 (4) фаэ якорной обмотки двигателя от источника питания, в паузах между импульсами открытый транзисторный ключ

6 (8) вместе с обратным диодом 12 (13) образуют контур для протекания тока в прежнем направлении под действием ЭДС самоиндукции, Так как секции 2 и 4 обмотки якоря сдвинуты одна относительно другой на 90 эл, град., то магнитные потоки, создаваемые токами секций, обуславливают возникновение результирующего кругового вращающего магнитного поля в расточке статора, которое. взаимодействуя с полем постоянных магнитов ротора 1, создает вращающий электромагнитный момент, в результате чего ротор

1 двигателя начнет поворачиваться в том же направлении, например "вперед", что и поле статора. При повороте ротора 1 двигателя поворачивается также и ротор ДРП 14, механически связанный с валом двигателя, что приводит к изменению амплитуды и фазы напряжений на его выходных обмотках 15, 16 и, соответственно, к изменению амплитуды и фазы напряжений на выходах ФЧВ 18, 19 по синусоидальному закону со сдвигом на 90 эл.град.

В положениях ДПР 14, когда выходные напряжения Uis и U>g ФЧВ проходят через нуль, исчезают импульсы управления на прямых выходах формирователя 17 на включение транзисторных ключей 6 и 8 и формируются импульсы на его инверсных выходах на включение транзисторных ключей 7, 9.

Транзисторные ключи 6, 8 закрываются, и при включении ИРН 23 (24) ток от источника питания протекает по секциям 3 (5) через ключи 7 (9).

В паузе между импульсами, когда ИРН

23 (24) закрыт, ток в секции 3 (5) также протекает в прежнем направлении, замыкаясь через включенный транзисторный ключ 7(9) и обратный диод 12 (13).

Так как на выходе ШИП формируется последовательность импульсов, длительность которых изменяется в течение интервала коммутации по синусоидальному закону, определяемому формой огибающей напряжения ФЧВ, следовательно, и ИРН формируют напряжение на секциях 2 — 5 обмотки электродвигателя, изменяющееся по синусоидальному закону. В связи с тем. что секции 2, 3 и 4, 5 фаз обмотки двигателя в каждой ячейке коммутации сдвинуты нэ 180 эл.град., а фазы на 90 эл.град,. то при поочередном подключении секций ячейки к источнику питания они создают магнитный поток, также изменяющейся по синусоидальному закону. Сумма потоков фаз обмотки двигателя образует вращающееся магнитное поле статора, взаимодействие которого с полем ротора, создает постоянный вращающий момент электродвигателя, приводящий его ротор 1 во вращение.

При увеличении управляющего напряжения U с задатчика скорости увеличивается скважность импульсов управления ШИП и, следовательно, возрастает амплитуда первой гармоники модулированного напряжения на обмотках двигателя и, соответственно, скорость вращения ротора 1. При вращении ротора, как известно, в секциях якоря наводятся ЭДС вращения, направленная встречно приложенному напряжению, и изменяющаяся по синусоидальному закону.

В переходных режимах работы электропривода, например при сбросе нагрузки на валу двигателя или уменьшении управляющего напряжения в замкнутых системах регулирования с обратной связью по скорости, скважность управляющих импульсов ИРН

23 (24) уменьшается и может стать равной нулю, т.е. ЭДС вращения может стать больше приложенного к секции среднего напряжения, Предположим, что перед началом переходного процесса были открыты в ячейках коммутации 10, 11 транзисторные ключи 6 и

8. При исчезновении импульсов управления на ИРН 23 (24) ток через диоды 28 (29) не протекает, при этом ТКПП 25 автоматически открывается под действием ЭДС вращения секций 2 (4) по цепи: начало секции 2 (4), диод 26 (27), переход эмиттер-база, резистор 32, диод 33 (36), конец секции 2 (3) Ток

1670753

5

25

45

55 в секциях меняет свое направление и протекает по цепи: начало секции 2 (4), диод 26 (27), переход эмиттер-коллектор ТКПП 25, обратный диод 37 (39), конец секции 2 (4).

Когда открыты ключи 7 (9), под действием

ЭДС вращения уже секций 3 (5) открывается снова ТКПП 25 по цепи: конец секции 3 (5), диод 26 (27), переход эмиттер-база, резистор 32, диод 34 (35), начало секции 3 (5) и образует уже вместе с диодами 26, 38 (27, 40) контур для протекания тока по секциям

3 (5) в направлении, противоположном двигательному режиму работы, Следовательно, в переходных режимах работы секции обмотки двигателя подключаются автоматически поочередно параллельно транзисторному ключу прямой проводимости 25, при этом в электроприводе осуществляется автоматически перевод двигателя в режим торможения, т.е. происходит частичный

"сброс" запасенной в двигателе электромагнитной энергии и его подтормаживания, что обуславливает более быстрое протекание переходных процессов в электроприводе по сравнению с известными электроприводами, При останове двигателя, когда снимаются импульсы управления, а также в аварийных режимах, например при исчезновении питания на двигателе или схеме управления в известном электроприводе транзисторные ключи в ячейках коммутации и импульсные регуляторы напряжения становятся неуправляемыми, Двигатель, вращаясь по инерции, продолжает приводить механизм вдвижение, что является недопустимым для некоторых устройств, например сканирующих антенн, так как тормозной путь может быть больше углов "выбега" и при выходе антенны из зоны рабочих углов может произоити поломка механизма.

В аварийных режимах в электроприводе секции 2 — 5 обмотки двигателя отключаются транзисторными ключами 6 — 9 и ИРН

23, 24 от зажимов цепи питания и под действием наведенных в них ЭДС вращения открывается автоматически транзисторный ключ прямой проводимости 25 и вместе с введенными диодами образует контуры торможения. Токи в секциях обмотки меняют свое направление и создают тормозной электромагнитный момент, противоположный моменту вращения, в результате происходит быстрый останов электродвигателя.

Для ограничения амплитуды тормозного тока в коллекторную цепь ТКПП 25 может быть включен резистор.

При смене полярности управляющего напряжения Uy на выходе задатчика скорости 41 изменяется на 180 эл.град. фаза выходного напряжения модулятора 42 и, как следствие, фаза напряжений на выходных обмотках ДПР и выходах фазочувствительных выпрямителей, а также очередность появления импульсов на выходах формирователя зоны коммутации 17. Теперь транзисторные ключи 6 — 9 включаются в последовательности 7, 9, 6, 8, что приводит к изменению очередности коммутации секции обмотки двигателя и соответственно к изменению направления вращающего электромагнитного момента. Ротор двигателя приходит в движение и вращается в направлении "назад", при этом коммутационные процессы происходят аналогичным образом, что и при вращении двигателя "вперед", Таким образом, за счет введения новых элементов осуществляется автоматически перевод двигателя в режим торможения в переходных режимах работы и в аварийных ситуациях, что повышает надежность работы и быстродействие электропривода.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель по авт.св.

М 1350773, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, введены четыре обратных диода, резистор, пять пар диодов и транзисторный ключ прямой проводимости. коллектор которого подключен к первому зажиму цепи питания, а эмиттер соединен с катодами диодов первой пары, анод каждого из которых соединен с общей точ ой выводов секций соответствующей фазы двухфазной обмотки якоря и с катодом соответствующего диода второй пары, включенного в прямом направлении последовательно между одним из импульсных регуляторов и одной из ячеек коммутации, база транзисторного ключа прямой проводимости соединена с катодами диодов третьей пары, анод каждого из которых соединен с анодом соответствующего диода второй пары, один вывод резистора подключен к базе упомянутого транзисторного ключа, а второй вывод резистора соединен с анодами диодов четвертой и пятой пар, катоды диодовчетвертой пары соединены соответственно с коллекторами транзисторных ключей одной ячейки коммутации, а катоды диодов пятой пары — с коллекторами транзисторных ключей другой ячейки коммутации, каждый иэ транзисторных ключей упомянутых ячеек коммутации шунтирован одним из обратных диодов.