Датчик для синхронного электродвигателя с частотно-токовым управлением

 

0 о (72) Авторы изобретения

Б. Н. Каржавов, B. Н. Бродовский и В. A. Белоцерковский

{7!) Заявитель (54) ДАТЧИК ДЛЯ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

С ЧАСТОТНО-ТОКОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к датчикам положения, используемым в системах частотне-токового управления синхронными двигателями.

Известны датчики положения, обеспечивающие получение многофазной системы управляющих сигналов, изменяющихся в функции угла поворота по синусоидальному закону, например бесконтактные сель сины. Подобные датчики находят примене- .30 ние, в частности, в системах частотнотокового управления синхронными двигателями, при котором в обмотках двигателя создается система. токов синусоидаль

1 Г ной формы, имеющих частоту, совпадаю.цую с угловой частотой вращения ротора.

Формирование токов происходит за счет сравнения сигналов обратной связи по т ку с управляющими сигналами от датчи20 ка положения с помощью специальной схеМ

Известен также датчик положения, содержыпий 2, -образный безобмотu÷íûé ротор и кольцевой статор, магнитопровод которого выполнен П-образным, с сигнальной обмоткой и кольцевой обмоткой возбуждения, расположенной в радиальных пазах П-образного магнитопровода статора (2J. Данное техническое решение по своей сущности и достигаемому результату является наиболее близким к изобретениюю.

Известный датчик обеспечивает получение п -фазной системы переменных напряжений, амплитуды которых зависят от углового положения ротора. Для формирования синусоидальных токов в обмот ках синхронного двигателя кроме датчика положения известной конструкции необходимы датчик обратной связи по току, устройство сравнения управляющих сигналов с сигналами обратной связи, а также фазочувствительные выпрямители для преобразования выходных напряжений датчика положения. В целом система управления двигателем получается сложной н недостаточно надежной, что обусловлено ог25

3

680 1. раниченными функциональными воэможностями датчика положения.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей датчика по» ложения и упрощение за счет этого струк5 турной схемы электропривода.

Указанная цель достигается тем, что статор выполнен в виде 2m разделенных воздушными зазорами сегментов, которые охвачены ферромагнитной лентой, )0 образующей между сегментами перемычки, и снабжен обмоткой опроса и обмоткой обратной связи по току, причем укаэанные обмотки и сигнальная обмотка расположены на перемычках. 15

С целью увеличения кратности поле нот о сигнала на каждой перемычке размещаются две сигнальные обмотки, каждая из которых соединена последовательно-встречно с аналогичной обмоткой, 20 расположенной на диаметрально противоположной перемычке.

Все 2m обмоток опроса соединены последовательно-согласно и подключены к генератору разнополярных импульсов напряжения, разделенных интервалами нулевого уровня.

На фиг. 1 показана конструктивная схема датчика при числе фаз п1 =2; на фиг. 2 изображены кривые намагничивания ферромагнитной перемычки между сегментами; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы датчика.

Датчик содержит Z -образный ротор

1 и кольцевой c ãàòîð П-образного сечения, разделенный на сегменты 2-5, в радиальном пазу которого размещена кольцевая обмотка возбуждения 6. Ger менты 2-5 охвачены ферромагнитной лентой 7 из материала с высокой маг нитной проницаемостью, например из пермаллоя. Катушка 8 составленная по

) крайней мере из трех изолированных об15 моток, расположена на каждой из перемычек 9-12, образованных лентой 7.

Одна из обмоток служит для периодичеокого опроса (перемагничивания) перемычки, другая соединена последовательно с соответствующей фазой обмотки якоря синхронного двигателя и, таким образом, является обмоткой обратной связи по току, а остальные, одна или несколько обмоток, служат сигнальными. Сегменты

55 статора могут быть закреплены, например, на диамагнитных фланцах 13.

Количество сигнальных обмоток на каждой катушке 8 может изменяться в

4 зависимости от схемы преобразователя энергии, Дополнительные сигнальные обмотки могут быть использованы также для повышения помехоустойчивости. При неидеальной прямоугольности кривой намагничивания перемещение рабочей точки по горизонтальному участку сопровождается некоторым изменением индукции и появлением на сигнальных обмотках помех. Сигналы помехи могут быть осла . лены путем встречного включения двух сигнальных обмоток, расположенных на противоположных перемычках (при согласном включении соответствующих обмоток опроса) .

При подаче в обмотку 6 постоянного тока намагчичивающая сила (н.с.) воэ» буждения распределяется между различными участками ленты 7 в зависимости от углового положения ротора 1. Если продольная ось ротора расположена вертикаль но, магнитный поток возбуждения целиком проходит по перемычкам 10 и 12 и они находятся под действием н.с., максимально возможной при заданном значении то ка возбуждения. Н.с., приложенная к перемычкам 9 и ll, равна нулю в силу симметрии магнитной системы, в том числе и ротора, относительно вертикальной оси. Очевидно, что при повороте ротора на 90 ) действию максимальной н.с. подвергаются перемычки 9 и 11, а и.с. перемычек 10 и 12 равны нулю. В промежуточном положении н.с. возбуждения приложена как к перемычкам 9 и ll, так и к перемычкам 10 и 12 в соотношении, определяемом проводимостью соответствующих воздушных зазоров, т.е. угловым положением ротора. При повороте ротора о на 180 относительно исходного положения полярность н.с. каждой перемычки меняется на обратную.

Таким образом, при вращении ротора каждая перемычка оказывается под действием н.с., изменяющейся в функции yr ла поворота по периодическому закону.

Последний приближается к синусоидальному при соответствующем выборе геомет рии ротора. Амплитуда н.с. перемычек пропорциональна току возбуждения. Полученные синусоидально изменян)щиеся н.с. ис пользуются в качестве m-фаэной системы управляющих сигналов.

Сравнение сигнала управления с сигналом, пропорциональным току двигателя, выполняется с помощью обмотки обратной связи, входящей в состав катушки 8. Поскольку по обмотке обратной связи иро686124

5 текает ток соответствующей фазы двигателя, каждая перемычка в общем случае находится под действием двух н. с. - управления и обратной связи по току. При противоположном напрввлении обеих н.с. соотношение между их величинами опред ляет знак результирующей н.с. перемычки

Для определения знака разности каждая перемычка подвергается периодичес кому опросу путем подачи в обмотки onроса, входящие в состав катушки 8, разнополярных импульсов тока.

При отсутствии н.с. управления и обратной связи, а также при равенстве абсолютных величин обеих н.с. состояние перемычки определяется только импульсами опроса (фиг. 3a). При подаче положительного импульса опроса с н.с. Е4 (фиг.

2а) перемычка насыщена в положительном направлении - точка 14. По окончании действия этого импульса состояние перемычки соответствует точке 15, При подаче отрицательного импульса ощюса рабочая точка перемешается по траектории точка 15 — точка 16 - точка 17.

При этом в силу изменения индукдии в сигнальной обмотке наводится импульс

ЭДС е (фиг. Зб). Такой же импульс, но обратного знака, наводится при подаче очередного положительного импульса опроса. В данном режиме импульсы ЭДС наводятся только передними фронтами импульсов опроса, т.к. изменение н.с. иа заднем фронте происходит по траектории точка 14 - точка 15 или точка 17точка 16 и не связано с изменением индукции.

Полученные сигнальные импульсы (фиг. Зб) не.- йесут в себе информации о соотношении н.с. управления и н.с. о6 ратной связи и поэтому являются ложными. По этой причине схема преобразователя энергии, управляющего работой двигателя, должна быть построена так, чтобы сигнальные импульсы, наводящиеся п редними фронтами импульсов опроса, ею не воспринимались.С. этой целью может быть использована система разрешающих сигналов Мр (фиг. Зд) ° Путем сравнения разрешающих сигналов с выходными импульсами формируются выходные сигналы.

Преобразователь энергии воспринимает сигналы датчика только при наличии разрешающего импульса, т.е. только импуш сы, наводимые задними фронтами сиги лов опроса.

Рабочий режим датчика характеризуется наличием н.с. управления F„н н.с, обратной связи F, одна из которых может превышать другую по абсолютной величине. Пусть, например, F> ) Р (фиг. е- 2б) и перемычка находится под действием положительного импульса опроса. В этом случае состояние перемычки соответствует точке 18. По окончании импуль10 са рабочая точка перемешается влево на величину F — точка 19, причем ЭДС в сигнальной обмотке не наводится. При появлении отрицательного импульса опроса происходит перемагничивание перемыч15 ки в направлении от точки 19 к точке

20 и в сигнальной обмотке наводится ложный импульс 21 (фиг. 3 в). Задний фронт отрицательного импульса опроса также наводит импульс 22 (перемагничи20 ванне в направлении от точки 20 к точке

19), который является рабочим, т.к. совпадает по времени с разрешающим импульсом (фиг. Зд). Импульс 22 использует

25 ся в преобразователе энергии для открывания ключа, например тиристора, в соответствующей фазе, благодаря чему ток в обмотке двигателя начинает нарастать, и спустя определенное время устанавли30 вается обратное соотношение н.с.3F |

При этом под действием положнтель» ного импульса опроса перемычка находит» ся в состоянии, показанном на фиг. 2в точкой 23. По окончании импульса прс» исходит перемагничивание в направлении

35 от точки 23 к точке 24 и в сигнальной обмотке наводится рабочий импульс 25 (фиг. Зг), совпадающий по времени с разрешающим импульсом Vp (фиг. Зд). Иь+40 пу ь 25 ис зуе я в реобрааова ле энергии для запирания ранее включенного тиристора. Очередной импульс 26 (фиг. 3r) в сигнальной обмотке наводит ся передним фронтом положительного импульса опроса. Этот импульс является ложным, Таким образом, приЯ)(РО, появляется импульс 22, включающий тиристор, н отсутствует запираюший импульс 25, и наоборот, np )F>j C )70 < I появляется запирающий импульс 25 и отсутствует импульс 22.

Поскольку F> èçìåíÿåòñÿ по синусоидальному закону в функции угла поворо55 та, в обмотке двигателя формируется полупериод тока, близкий о форме к синусоидальному. Частота опроса выбирается с таким расчетом, чтобы в течение периода опроса ток в обмотке двигателя мог

686124

Формула изобретения

7 изменяться не более чем на заранее 30» данную величину, например на 5%.

В то время, как в какой-либо перемычке, например 9, происходят рассмот ренные выше процессы, обусловленные встречным действием F и F, в протйвоположной перемычке 11 сан. н.с. направпены согласно, что достигае.ся соответствующей фазировкой обмотки обратной связи. При этом перемычка сильно насыщена, независимо от полярности импупьсов опроса перемещение рабочей точки происходит топько в пределах горизонтального участка кривой намагничивания и сигнальные импульсы не наводятся. Рабс . чий режим в перемычке 11 наступает при повороте ротора на 180, когда изменяD ется полярность F Сигнальная обмотка, расположенная на этой перемычке, управляет формированием второго полупериода тока в данной фазе двигателя. Два полупериода тока в другой фазе задаются работой соответственно перемычек 10 и 12, В датчике обеспечивается получение

cHi HBJIoB> содержащих информацию как об угловом положении ротора, так и о соотношении сигнала управления и сигнала обратной связи, и он, таким образом, одновременно выполняет функции датчика положения, датчика обратной связи по току и устройства сравнения.

Применение датчика данной конструкции в системах частотно-токового управпения синхронными двигателями позволяет значительно упростить электронную схему и тем самым повысить ее надежность, 1. Датчик для синхронного электродвигателя с частотно-токовым управлением, содержащий беэобмоточный Z -образный ротор и кольцевой статор с магнитопроводом П-образного сечения и расположенной в радиальном пазу кольцевой обмот кой возбуждения, о т л и ч а ю ш и й10 с я тем, что, с цепью расширения функциональных возможностей датчика, магнитопровод статора содержит 2m отдельных сегментов, соединенных ферромагнит ными перемычками, на каждой иэ которых

1 расположены обмотка опроса, обмотка обратной связи по току и по меньшей мере одна сигнальная обмотка.

2. Датчик по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения кратности полезного сигнала, на каждой перемычке расположены две сигнальные обмотки и каждая из них соединена последовательно-встречно с аналогичной обмоткой, расположенной на перемычке, 25 сдвинутой на 180 эп. град.

З.Датчикпопп.1и2, о т и и ч а ю шийся тем, что все 2 m обмоток опроса соединены последовательно-согласно.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Бродовский В. Н. и Иванов Е. С.

Привода с частотно»токовым управлением, М., "Энергия, 1974, с. ХС1-15.

2. Мкртчян Д. П. и Хрущев В. В.

Однофазные сельсины, Л., Судпромгиэ, 1957, с. 25.

686124

Составитель А. Санталов

Редактор Т. Юрчнкова Техред Э. Чужик Корректор Н. Горват

Заказ 5474/53 Тираж 857 Подпнс ное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4