Реверсивный вентильный электродвигатель

 

Союз Советскик

С оциалистическик

Республик

ОП-ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()744861 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву— (22) Заявлено 091077 (21 ) 2540312/24-07 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет—

Опубликовано 3006.80, Бюллетень № 24

Дата опубликования описания 300680 (51)М. Кл.

Н 02 К 29/00

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 313...13.014.2.621..382(088.8) (72) Автор изобретения

В. Ф. Шепелин (71) Заявитель (54) РЕВЕРСИВНЫИ BEHTHJIbHbIA ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам и может быть использовано в электроприводах металлорежущих станков.

При создании реверсивных транзисторных вентильных электроприводов средней мощности основной проблемой является защита транзисторов инвертора (коммутатора) от перенапряжений, вызываемых энергией, запасенной в индуктивности рассеяния коммутируемой фазы от тока нагрузки.

Известны вентильные электродвигатели с транзисторным инвертором, в которых для защиты транзисторов от перенапряжений параллельно последним в обратном направлении включены диоды (1) .

Недостатком таких схем вентиль- ных двигателей состоит в том, что они не обеспечивают рекуперативного торможения двигателя, так как при этом транзисторный мост работает в выпрямительном режиме и неуправляемый диод и открытый транзистор закорачивают две фазы двигателя.

Известен также вентильный двигатель с транзисторным инвертором, в котором энергия, запасенная в магнитном поле секции, перенапряжения через обратные диоды (обратный выпрямительный мост) выделяется в конденсаторе, который в межкоммутационные интервалы разряжается на резисторы и частично используется в цепях управления, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику

ЭДС, состоящему, например, из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор на транзисторах, базовые цепи которых подключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обратного тока, подключенный зажимами переменного тока на выходные зажимы инвертора, а зажимами постоянного тока-через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС Я .

Основной недостаток известного двигателя заключается в том, что при увеличении мощности двигателей и увеличении пусковых токов значительM

2О

25 ,.Я

35 фД

4%

5„

6Л но возрастают его масса и габариты иэ-.эа больших габаритов конденса"".àðä и разрядного резистора. Кроме того, при работе на больших скоростях значительно (до 10%) снижается его КПД.

Цель изобретения — повышение коэффициента полезного действия вентильного двигателя, снижение его массы и габаритов.

Цель достигается тем, что в схему вентильного двигателя дополнительно введены датчик нул вого тока, логические элементы ИЛИ„ включенные между цепями управления транзисторов инвертора и устройством управления инвертора, блок определения режима работы двигателя (двигательный или тормозной), состоящий, например, из пяти логических элементов И-НЕ, измерителя чередования фаз и усилителя результирующего сигнала управления, устройство токо,вой блокировки, состоящее, например, из шести логических элементов N-НЕ, релейный элемент, подключенный на выход тахометрического устройства, причем, выход блока определения режима работы двигателя подключен на первый вход устройства токовой блокировки, на второй вход устройства токовой блокировки подключен выход датчика нулевого тока, первый выход устройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей для подключения к инвертору обратного выпрямительного моста, а второй выход устройства токовой блокировки — ко вторым входам логических элементов ИЛИ, таким образом, чтобы при двигательном режиме транзисторные ключи были открыты и второй выход устройства токовой блокировки не влиял на работу логических элементов HJIN при тормозном режиме транзисторные ключи были закрыты, а на выходе всех логических элементов ИЛИ был сигнал, открывающий одновременно все транзисторы инвертора, выход релейного элемента подключен на третий вход устройства токовой блокировки таким образом, чтобы на выходе устройства токовой блокировки-при малой скорости были сигналы, соответствующие двигательному Режиму работы.

Благодаря. такому подключению вновь введенных элементов в двигательном режиме работы вентильного двигателя транзисторные ключи открыты и обратный выпрямительный мост подключен параллельно транзисторному инвертору. Энергия, запасенная в индуктивности рассеяния фазы двигателя, выходящей из работы, гасится через вентиль обратного выпрямительного моста, вновь открытый транзистор и фазу двигателя, остающуюся в работе. Перенапряжения на,транзисто.Рах отсутствуют.

При . тормозном режиме работы ввн тильного двигателя транзисторные ключи закрыты, обратный выпрямительный мост отключен, а все транзисторы инвертора открыты постоянно сиг .-..=.:.лом с логических элементов ИЛИ. транзисторный инвертор работает как ,=управляемый выпрямитель, отдавая энергию торможения двигателя через звено постоянного тока в питающую сеть. Перенапряжения на транзисторах также отсутствуют.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема реверсивного транзисторного вентильного электродвигателя, на фиг. 2 - диаграммы работы основных функциона,пьных узлов.

Нентильный электродвигатель содержит управляемый выпрямительный мост 1, неуправляемый мост 2 обратного тока, транзисторные ключи 3 и 4, предназначенные для подключения вентилей выпрямительного моста 1 параллельно транзисторам 5-10 инвертора при работе его в двигательном режиме, неуправляемые вентили 11-16 для защиты транзисторов от обратных напряжений, датчик 17 нулевого тока, предназначенный для контроля наличия тока в силовой цепи преобразователя, синхронную машину 18,датчик 19 положения ротора синхронной машины, предназначенный для выдачи сигналов на переключение транзисторов инвертора в функции положения ротора, тахогенератор 20, систему 21 импульснофазового управления выпрямителя,регулятор 22 тока и скорости вентильного двигателя,.блок 23 задания направления вращения аналогичный блоку логики раздельного управления комплектами преобразователей в реверсивном электроприводе постоянного тока, предназначенный для безтокового переключения сигналов с датчика 19 положения

:Ротора и согласования реверсивных выходов регулятора 22 скорости и тока с нереверсивным входом системы 21 при смене знака результирующего сигнала управления (Мц =U„.@ -UT„), блок определения режима работы синхронной машины (двигательный или тормозной), состоящий из усилителя 24, исполь=-уемого в качестве нуль-органа, логических элементов И-НЕ 25-29 и измерителя

30 чередования фаз, предназначенного для определения направления вращения ротора синхронной машины, устройство токовой блокировки, состоящее из логических элементов И-HE 31-36 и предназначенное для запрещения переключения состояния силовых элементов преобразователя, соответствующего двигательному режиму, в состояние, соответствующее тормозному, при наличии тока в силовой цепи (при нулевом сигнале датчика 2 тока), логические элементы ИЛИ 37 (их число равно числу транзисторов инвертора), устройст744861

45 вс 38 управления транзисторами инвертсра, предназначенное для переключения сигналов с датчиком положе-, ния ротора при смене знака результирующего сигнала управления, релейный элемент 39, предназначенный для выделения зоны низких скоростей тормозного режима, где затруднена естественная коммутация тока фаз синхронной машины вследствие малой величины ЭДС вращения. 10

Все логические элементы выполнены на транзисторах и-р-и проводимости.

Полезным сигналом, открывающим транзисторные ключи, считается нулевой сигнал.

1S

В исходном состоянии схемы напряжение задания скорости U A равно нулю, напряжение на выходе выпрямителя 1 отсутствует и ток по секциям синхронной машины не протекает. Скорость двигателя равна нулю. На выходе устройства 39 и входах логических элементов И-HE 32-36 нулевой сигнал. При этом, на первом выходе устройства токовой блокировки (логический элемент 33) нулевой сигнал, а на втором выходе (логический элемент 34) — единичный, не влияющий на работу логических элементов ИЛИ 37 от сигналов с датчика 19 положения ротора. При этом нулевым сигналом 30 с логического элемента 33 транзисторные ключи 3 и 4 открыты. Открыты также и два транзистора инвертора сигналом с датчика 19 положения в соответствии с заданным блоком 23 35 направлением вращения двигателя.

Сигнал на выходе измерителя 30 чередования фаз и выходе блока определения режима работы двигателя (логический элемент 26) в первый момент не определен. Однако, благодаря наличию устройства 39 сигналы на выходе устройства токовой блокировки (логические элементы 33 и 34) соответствуют двигательному режиму работы вентильного двигателя.

При подаче задающего напряжения

U A на выходе регулятора 22 появляется сигнал, углы управления системы 21 уменьшаются и на выходе выпрямительного моста 1 появляется напряжение. Одчовременно сигналом с блока 23 задания направления вращения углы на выходе устройства 38 устанавливаются соответствующими двигательному режиму работы(8 = О) при заданном направлении вращения, два транзистора инвертора открыты и по двум секциям двигателя протекает ток, создавая вращающий момент. При повороте ротора на угол 60 электрических 60 градусов на выходе датчика положения появляется сигнал на переключение секции двигателя, транзистор ,"екции, например, А(транзистор 5) закрывается, а транзистор 6 секции 65

В открывается. Энергия индуктивности рассеяния секции А, выходящей иэ рабсты, разряжается через неуправляемый выпрямитель 2, открытый транзистор ключа 4, транзистор инвертора и фазу С, остающуюся в работе.

В дальнейшем описанный процесс иовтсряется через каждые 60 электрических градусов поворота ротора

При этом результирующий сигнал а 0 =

=U - 0 „ на входе усилителя 24 имеет такую величину и знак, что усилитель

24 находится в режиме насыщения и на его выходе устанавливается максимальный сигнал, соответствующий логической единице. На выходе измерителя 30 чередования фаз после прихода второго импульса с датчика положения ротора устанавливается единичный сигнал. При повышении скорости двигателя выше зоны нечувствительности нелинейного элемента 39 на его выходе устанавливается единичный сигнал и в дальнейшем он не влияет на работу схемы.

Дальнейшие изменения сигналов на выходах устройства токовой блокировки возможны в функции сигналов с блока определения режимов работы (c логического элемента 26) при нуле тока в силовой цепи (единичный сигнал на выходе датчика 17 тока).

При снижении задающего напряжения

U aA или смене его полярности меняется полярность на входе усилителя

24. При этом сигнал на его выходе уменьшается с максимального до нуля, а сигнал с измерителя 30 чередования фаз остается прежним и равным единичному. При несоответствии сигналов с усилителя 24 и с измерителя 30 чередования фаз сигнал с выхода блока определения режима работы двигателя становится нулевым, так как на выходах логических элементов 25, 28 и

39 устанавливаются единичные сигналы, что соответствует тормозному режиму работы венти--:ьного двигателя. Однако, пока в cèëîâoé цепи преобразователя протекает ток на выходе датчика

2 тока устанавливается нулевой сигнал, который поступает на второй вход устройства токовой блокировки и никаких переключений в силовой схеме не происходит. Не происходит переключений и в регуляторах скорости и тока. При смене результирующего сигнала управления углы управления преобразователем уменьшаются до минимальных и выпрямитель 1 переходит в инверторный режим. Ток в силовой цепи уменьшается до нуля.

После этого запрет на переключение с датчика 2 тока снимается (на его выходе появляется логическая единица) и сигнал на выходе логического элемента 33 становится единичным,а на выходе элемента 34 — нулевым, 744861 что приводит к закрытию транзисторных ключей 3 и 4 и открытию всех транзисторов инвертора. Двигатель работает в тормозном режиме, отдавая энергию через выпрямитель 1 в питающую сеть. Перенапряжения на транзисторах инвертора в этом режиме отсутствуют, так как они полностью открыты, а коммутация тока фаз осуществляется за счет ЭДС фаз синхронной машины.

Переключение двигателя из тормозного режима в двигательный происходит следующим образом.

При увеличении задающего напряжения 0 цд сигналы на выходе усилителя 24 и измерителя 30 чередования фаз становятся одинаковыми, что приводит к появлению единичного сигнала на выходе логического элемента о

26. Однако, смена знаков на выходе логических элементов 33 и 34, открытие транзисторов 3 и 4 и закрытие транзисторов инвертора происходит после снижения тока двигателя дб нуля и появления на выходе датчика 17 нулевого тока единичного сигнала.

Лишь после этого на выходе логического элемента 31 появляется нулевой сигнал, вызывающий переключение статического триггера на логических элементах 32 и 33 и смену знаков на выходе логических элементов 33 и 34.

Таким образом, закрытие транзисторов инвертора происходит без тока и перенапряжения на них в этот момент отсутствуют.

На фиг. 2 ж — скорость двигателя, U p. — задающее напряжение; 1с ток в звене постоянного тока; U

034 024 напряжения де Ug6, U>> соответствующих элементов схемы.

Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить громоздкий блок защиты от перенапряжений транзисторов инвертора, снизить его массу и габариты и повысить коэффициент полезного действия вентильного двигателя.

Расчеты показывают, что при коммутации номинального тока фаз трех.фазной синхронной машины на номинальной частоте вращения при величине индуктивного сопротивления короткого замыкания фазы 0,1 относительной единицы и величине индуктивности сглаживающего дросселя в звене постоянного тока, в пять раз превышающей индуктивность короткого замыкания фазы синхронной машины, мощность, выделяемая во внешних устройствах (резисторы, ограничители перенапряжений), составляет 0,0874 номинальной мощности двигателя.

Формула изобретения

Реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику ЭДС, состоящему, например, из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор на транзисторах, базовые цепи которых подключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обрат-! ного тока, подключенный зажимами переменного тока на выходные зажимы инвертора, а зажимами постоянЫ ного тока — через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного дейст25 вия вентильного двигателя, снижения его массы и габаритов, дополнительно введены датчик нулевого тока, логические элементы ИЛИ, включенные между цепями управления транзисторов

3О инвертора и устройством управления инвертором, блок определения режима работы двигателя, состоящий, например, из пяти логических элементов

И-НЕ, измерителя чередования фаз и усилителя результирующего сигнала управления, устройство токовой блокировки, состоящее, например, из шести логических элементов И-НЕ, релейный элемент, подключенный на вы,О ход тахометрического устройства, причем выход блока определения режима работы двигателя подключен на первый вход устройства токовой бло,кировки, на второй вход устройства токовой блокировки подключен выход датчика нулевого тока, первый выход устройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей, а второй выход устройства токовой блокировки — ко вторым входам логических элементов ИЛИ, выход релейного элемента подключен на третий вход устройства токовой блокировки °

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Аракелян A. К. и др. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. И., "Энергия", 1977, с. 8-13.

2. Патент Японии У 51-14687, кл. 55 С 2, 1976.