Реверсивный вентильный двигатель

 

7 8265 де транзистора 11;Ф„- магнитный поток, подмагничиваюший дроссель насыщения, И„, - напряжение на выходе

Р-S триггера 13.

Движущим элементом ВД является синхронная машина 20, у которого секции А;В, С якорной обмотки размещены на статоре, а ротор 21 выполнен в виде четырехполюс ного индуктора электромагнитного типа. При взаимодействиях тока в секциях обмотки с магнитным полем индуктора возникает вращающий момент.

Секции А, В, С якорной, обмотки подключены к источнику 30 постоянного напря— жения бесконтактными ключами 17, 18 15 и 19 коммутатора 16. Для согласования моментов включения секций якорной обмотки с полем индуктора используется датчик 1 положения ротора. ДПР состоит из двух основных деталей: статора с 20 чувствительными элементами 3,4,5 и ротора, посаженного на один общий с индикатором 21 вап. Конструктивно статор представляет собой диэлектрическую втулку с тремя радиальными .пазами через 360/Р е геометрических градусов друг относительно друга, где рчисло пар попюсов индуктора, т — чиспо секций якорной обмотки. В каждом пазу установпен дроссель насыщения, явпяюшийся чувствительным эпементом к магнитному пог.о. Дроссель выполнен на миниатюрном ферритовом кольце с

ППГ и имеет одну обмотку. Втулка с дроссепями насыщейия зафиксирована относительно статора электродвигателя с помощью крепежных элементов.

Ротор бимеет форму ромба,,намагниченного вдоль большей диагонали. За счет

40 ромбовидной формы ротора 6 индукция ма нитного поня распределена вдоль расточки втулки по закону, бпизкому к линейно1VPJ о

Обмотка каждого дросселя насыщения

45 присоединена ко входу соответствующего формирователя. Формирователь, например, 9, состоит иэ инвертирующего усилители 11, логического элемента HE 12 и

Р-5 триггера 13 с двухвходовыми элементами 14 и 15 совпадения на R-8входах. Усипитель 11 выполнен на одном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером. Параллельно переходу база-эмиттер транзистора 11 подключен дроссепь 4 насыщения, кроме того, к ба55 зовому выводу транзистора присоединен выход преобразоватепя 7 через токоограничительный резистор. Коллекторный вы13 8 вод транзистора 11 присоединен на пер- . вые входы логических эпементов 2 FIE, первого непосредственно, а второго через логический элемент HE. Логические элементы 2И-НЕ с Р-5 триггером выполняют роль селектора импульсов по длитеньнос- ти, сравнивая длительность импульсов на выходе инвертируюшего усилителя 11 с длительностью импульсов первой временной задержки 22. Для этого на вто= рой вход первого логического эле мента 2И-НЕ подключен выход первой временной задержки, а на второй вход второго — выход второй временной задержки 28. B зависимости от того, уже или длиннее импульсы на выходе усипитепя 11 импульсов первой временндй эа держки, Й-б триггер 13 занимает единичное или нулевое состояние.

Схема первой . временной задержки состоит из транзистора 23 проводимости р -р- т, включенного по схеме с общим эмиттером и смещенного в открытое состояние по цепи базы, кон денсатора 25, подключенного своим вы : водом к баэз транзистора 23, С цепью синхронизации импульсов задержки и регулировки их длительности использу« ется вспомогательный транзистор 24 с токоограничивающим резистором 26 в це пи базы и резистором 27 в цепи коллекторе. База т ранэистора 24 присоединена к выходной обмотке преобраэоватена 7 через резистор 26, а коппектор транзистора присоединен к источнику 31 управляющего напряжения через резистор 27. Кроме того, к коллектору тран зистора 24 присоединен второй вывод конденсатора 25. Схема 28 нерегупируемой временной задержки выполнена. аналогично регупируемой, с той лишь разницей, что в ней отсутствуют элементы 24, 26 и 27, а второй вывод конденсатора явпяется входом временной задержки.

Выход формирователя 9 (8, 10) (прямой выход Р-бтриггера) присоединен ко входу бесконтактного ключа 18 (17,19) коммутатора 16 непосредственно ипи через вспомогательные логические элементы.

Логические элементы устанавливают ся на входе полупроводниковых ключей при необходимости формирования специальных законов функционирования коммутатора, например, обеспечения поочередного включения ключей при дпительности выходных сигналов триггеров больше 120 эл. град. частоты вращения.

826513 10

Для обеспечения реверса электродвигателя используется бесконтактный реверсор 20, изменяющий полярность напряжения на обмотке индуктора 21 элект родвига те ля.

С

Преобразователь 7 представляет собой двухтактный магнитотранзисторный автогенератор, выполненный по широкоизвестной схеме Ройера. Частота генерации составляет около 20 кГц. Совмест 10 но с двумя диодами автогенератор является источником низковольтного постоянного напряжения для питания элементов логической схемы BIl

ВД работает следующим образом. 15

В исходное состояние ВД жестко сочлененная система роторов 6 и 21 занимает произвольное угловое положение.

Например, в исходном состоянии ВД магнитный поток ромбовидного ротора

6 пронизывает в диаметральном направлении сердечники двух дросселей = " 5 насыщения и замыкается вне сердечника дросселя 4. При подключении ВД к источнику 30 постоянного напряжения возбуждается автогенератор преобразователя 7 и высокочастотное переменное напряжение с его выхода прикладываеч ся ко входу первой временной задержки

22 и к обмоткам дросселей 3,4 и 5.

Под воздействием переменного напряжения синхрониэирующий транзистор 24 первой временной задержки периодически открывается и закрывается. Открытое состоя ние транзистора совпадает по фазе с по«

35 ложительной полуволной переменного напряжения. В полупериод закрытого состояния транзистора времязадающий конденсатор 25 заряжается от источника 31 через токоограничительный резистор 27 до

40 величины управляющего напряжения 0. B момент отпирания транзистора заряженный конденсатор оказывается подключенным параллельно переходу база-эмит тер транзистора 23, запирая последний. °

Конденсатор перезаряжается током смещения транзистора 23. В течение разряда конденсатора транзистор 23 закрыт.

Продолжительность закрытого состоянйя

50 транзистора прямо пропорциональна величине управлщего Hanpawevna ®„@ . " ) при условии постоянства тока перезаряда конденсатора, здесь К вЂ” постоянный коэффициент, зависящий от величины тока

55 переэаряда и емкости конденсатора.

Изменением управляющего напряжения

Ы регулируется продолжительность пер вой временной задержки в пределах полупериода высокочастотного переменного на пряже ния.

Вторая временная задержка 28 работает аналогично первой, с той лишь разницей, что времязадающий ко. :денсатор заряжается до неизменяемого питающего напряжения Ул . Поэтому на выходе вторзй временной задержки формируются имчульсы постоянной длительности. Параметры времязадающей С-цепи выбраны таким образом, что длительность чмпульсов составляет 1г 20 периода высокочастотного переменного напряжения. Следует заметить, что импульсы временных задержек во времени следуют один эа другим, соответственно, первой и второй, эа счет их посгедовательного соединения.

К обмотке каждого дросселя насьпцения переменное напряжение прикладывается через токоограничительный резистор.

Напряжение на обмотке дроссегя ассиметрично: положительная полуволна напряжения меньше по амплитуде отрицательной полуволны, ввиду подключения обмотки дросселя параллельно переходу базаэмиттер соо тветствующего транзистора.

Переход база-эмиттер транзистора выполняет функцию низковольтного стабилитрона, ограничивая амплитуду положительной полуволны напряжения на уровне 0,7-0,8В, Обмоточные данные дросселей выбраны таким образом, что неподмагниченный полем магнита 6 дроссель перемагничивается, не насыщаясь по частному циклу петли гистерезиса в течение положительной полуволны напряжения. Изменение индукции (магнитного потока) в теле сердечника составляет величину, близкую к двойному значению индукции насыщения.

BSS дВ= — 2 8

0Т

2S+ где Π— приложенное к обл отке напряжение, равное О, -0,8 В;

5 - сечение обмотки дросселя;

% - число витков обмотки дросселя, Т вЂ” период.

Для принятого исходного положения

BIl дроссель 4 перемагничивается не насыщаясь. Транзистор 11 открывается по-. ложительной полуволной напряжения. В течение отрицательной полуволны напряжения транзистор 11 закрывается отрицатс:льным напряжением, приложенным к обмотке дросселя 4 и, соответственно, переходу база-эмиттер,транзистора. В процессе перемагничивания о -ряцачельной .полуволной напряжения дроссель 4 насыщается в момент равенства вольтосекундных площадок" полуволн напряжения.

Сопротивление обмотки дросселя резко уменьшается до величины .,омического.

Запирающее напряжение на переходе базаэмиттер транзистора снижается до нулевого значения, что не ухудшает условий запирания транзистора.

l0

Если ротор 6 поворачивать от принятого исходного положения, то его магнитный поток P начнет пронизывать сердечник дросселя 4, подмагничивая его. Величина магнитного потока в теле сердеч- 15 ника, изменяющаяся под действием приложенного к обмотке дросселя переменного напряжения, уменьшится на величину подмагничивающего поля.

20 ьФ = 2В,. 5 — фп

Пропорционально уменьшению перемен" ной составляющей магнитного потока Ь Ф сократится длительность перемагничива ниа сердечника дросселя положительной полуволной .щпряжения и станет меньше полупериода

В момент насыщения дросселя 4 транзистор 11 закрывается, так как его переход база-эмиттер оказывается зашун - тированным омическим сопротивлением обмотки насыщенного дросселя. Вследствие линейности изменения подмагничивающего поля в функции углового положения ротора (+= KH ) сокращение длительности открытого состояния транзистора носит также линейный харак тер, что очевидно из соотношения 1 и достигается за счет ромбовидности ро45 тора 6.

Параметры постоянного магнита

В Н, В Нп,е и его размеры выбраны таким образом, что полное насыщение

50 сердечника дросселя полем магнита прои сходит при прохождении оси»амаг»ичииания магнита через тело сердечника„ т.е. при повороте ротора 6 от принятого исходного положения на 180 эл. град.

55 частота враще»ия поля и»дуктора 21. R

1 этом положе»ни ротора 6 длительность открытого состояния тра»зисторь 11 сокращается ло нулевого значения.

12

Таким образом, на выходе,.ранзистора 11 формируются нулевые импульсы, длительность которых линейно изменяется от полупериода до нуля при повороте ротора на 1 80 эл. град. от принятого исходного положения (фиг. 2), Аналогично описанному происходит преобразование углового положения ротора в длительность нулевых" импульсов в формирователях 8 и 10, с той лишь разницей, что угловые положения ротора, при которых соответствующие транзисторы формирователей открыты полпериода (соответствующий дроссель 3, 5»е подмагничен полем магнита), смещены друг относительно друга на 120 эл. град. за счет пространственного сдвига дросселей

3,4 и 5 по втулке.

Импульсы с выхода транзистора 11 поступают на вход селектора импуль сов по длительности, где сравниваются с импульсами первой временной задержки 22. Роль селектора выполняют два логических элемента 2И-HE 14 и

15. На входы логического элемента 14 поступают импульсы с коллектора транзистора 11 и с выхода первой временной задержки, а на входы логического элемента 15 - импульсы с выхода элемента НЕ, инвертирующего сигнал коллектора транзистора 11 и с выхода второй временной задержки. Селекция импульсов о длительности происходит следующим образом. Если нулевые импульсы на выходе транзистора 11 короче по длительности импульсов первой временной задержки, то происходит совпадение во времени появления единичных импульсов на обоих входах логического элемента 14 и на его выходе появляются нулевые импульсы. В случае, когда нулевые импульсы»а выходе транзистора 11 больше по длитель»ости импульсов первой временной задержки, возникает условие совпадения импульсов на входах логического элемента 15 и на его выходе появляются нулевые" импульсы, С целью сохранения и»фирмации о результате сравнения импульсов на период сравнения используется элемент памяти — триггер 13, на инверсные входы которого подаются,"нулевые импульсы с выхода логических элементов

14 и 15. Первым появившимся "нулевым импульсом»а выходе логического эпеме»та 14 триггер переключается в еди»ич»о» состояние, которое о» сохра»яет до тех

13 &2 51 пор, пока не появится нулевой импульс на выходе логического элемента 15.

Таким образом, появле ние единич ного сигнала на выходе триггера 13 является однозначной информацией о том, чтс ч нулевые импульсы на выходе транзистора 11 короче по длительности импуль-сов первой временной задержки и наоборот. длительность нулевых" импульсов на выходе транзистора 11 является характеристикой углового положения рото(2)

U р е нереипючение триггере 1 3 происходи

r в момент сравнения по длительности нулевого импульса на выходе транзистора 11 с импульсом первой временной задержки (t р, t> ). Следовательно, уставкой определенной продолжительнос- - Оти импульсов первой временной задержки задается угловое положение ротора

ВД, при котором триггер переcn(oчится в единичное состояние, а также угловая продолжительность единичного со стояния триггера. Эту зависимость аналитически можно получить из соотношения 2 ходит аналогично Описанному, ввиду идентичности их конструктивного исполнения. Выходные сигналь формировате(eй

1 появляются поо-;ередно через 1= 0 эл.град. при враыении ротора БДе за счет соот-.

ВЕтСтВУЮ(ПЕГО СМЕIIIeÍÈß ДРОхССЕЛЕй HBCbI

IIIeНИя ВДОЛЬ раС е ОЧКИ ВтуЛКИ ДПР, Единичными сигналами с выхода .формирователей открываются бесконтактные ключи коммутатора 16, непосредственно или через вспомогатель((ые логические элемеítbI. По отношению к бесконтактным ключам коммутатора регулировка углового положения Открывания соответствуютпего ключа является регулировкой ут ла опережения вк.тюченття и скважносл ти а

Таким образом, изменением длительности первой временной "àäåðæêè от по-лупериода до нулевого з рачения пропордиона ьно регулируется ут.ол опережения включения or 0 до 180 еп. град. частоты вратпения поля индуктора ВД и скважнос".ъ в от 1 до О.

В зависимости от выбранного режима работы ВД устанавливается требуемая скважность переклюиения бесконтактньтх ключей коммутатора, например, е. = 2/3.

Для такого режима работы ВД бес- контактные клячи коммута1ора поочередно подключают соответствуютдие секдии

А,B,С якорной обмотки к истоитнику ="-0 питания. По секциям Обмотки протекает

-ток, который, взаимодействуя с полем индуктора 2 1, создает вратдаютдий момент. Двигатель приходит. в движение и разгоняется. В продессе разгона DQ ток в его якорной Обмо1;;е у леньшает ся, пропордионально току снижается вратпаютдий момент и при сравнивании по величине вратда;Отдего момента с моментом нагрузки наступает установившийся режим работы BQ. При необходимости реверса 3Q достаточно сменить полярность напряжения на обмотке возбуждения индуктора 21 с помошью реВерсора 29.

2 (Ве 5— - uC>«q

КЖ

2Ф

) эл. град.

Я= 180 (40

QIlP настраивается работа устройства так, чтобы единичный сигнал на выходе триггера был симметричен Относитель55 но i.onoæHòenüíoé .Полуволпы прОтивО

ЭДС соответствуюа(ей секптп(якорной обмотки. отсюда после несложных преобразований (фиг. 3) следу-е т:

Так при продолжительности первой временной задержки, близкой по величине к полупериоду (f — ), триггер 1 3 т

Збю- т переключится в единичное состояние а исходном положении ротора ВД (Ч =0) и сохранит его при дальнейшем повороте ротора почти на 360 эл. град. Вторая схема временной задержки служит для перевода триггера в исходное положение после того, как ротор достиг положения, при котором длительность "нуля" на выходе транзистора 11 станет меньше длительнi ти единипы" на выхо це первой схемы задержки. Продолжительность единичного состояния триггера в зависимости от длительности первой временной задержки можно описать следуютдим соотношением:

° г З - (Р д =()6 ) 2 ) ) 36" Р эл град

1 14

Работа формиро-.-атечей 8 и 10 происС целью наттлучшего использования

ЭЛЕКтРИЧЕСКОй:оаШИ((Ы ПО МОМЕНТУ ПОВОротом обоймы с дросселями насыптения

15 É2651

Регулировка скважности и угла опережения включения бесконтактных ключей коммутатора значительно расширяет функциональные возможности ВД.

Во-первых она может служить для регулирования частоты вращения BLl путем изменения скважности выходного напряжения бесконтактных ключей ком мутатораа.

Во-вторых, может быть использована для регулирования угла опережения включения бесконтактных ключей тиристорного коммутатора в функции тока нагрузки

Bll для обеспечения условия самокоммутации тиристоров Р> «у + У и наилучшего 5 использования электродвигателя по моменту fb -„й „,„, (с ростом нагрузки уве- . личивается угол коммутации ).

В-третьих, может быть применена для реализации оптимальных режимов ис- о пользования электрической машины по моменту КПД мощности с учетом ее,фактических параметров путем задания определенной скважности и угла опережения включения бесконтактных ключей р5 комму та тора.

Следует заметить, что регулировка не зависит от направления и частоты вращения ВД и практически безынерционнв.

Время „реакции устройства на отработку нового задания по скввжности и углу опе режения включения не превосходит периода высокочастотного напряжения (Т - "50рС ).

Вен1ильные двигатели, выполненные по данному принципу, сочетают в своем устройстве простоту конструктивного исполнения ДПР с широкой универсальностью в управлении и поэтому могут быть применены взамен существующих кол- о лекторных машин постоянного тока,, особенно в области малых мощностей.

Наиболее выгодно применять предлагаемый вентильный двигатель для регулируемых быстроходных электроприводов 45 с частотой вращения uu 314 рвд/с, где в настоящее время используются асинхронные электродвигатели со сложными и громоздкими преобразователями частоты. 50

Формула изобретения

1. Реверсивный вентильный двит атель, содержащий ствтор с якорной обмоткой, вращающийся индуктор электромагнитного

3 16 типа, датчик положения ротора с чувст вительными элементами типа .дроссель насыщения и сигнальным элементом, бесконтактный коммутатор, преобразователь ностоянного напряжения в переменное, блок схем временных задержек, подключенных последовательно друг к другу каждая из которых выполнена на одном транзисторе, смещенном в открытое состояние по цепи базы и времяэвдвющем конденсвторе, подключенном первым выводом к базе транзистора, и формиро- ватель выходного сигнала каждого чувст вительного элемента, включающий в себя усилитель, инвертор и К-5триггер с двухвходовыми элементами совпадения на входах, на первый вход которых подключен выход усилителя, одного непосредственно, а второго через инвертор, выход пер» вой схемы временной. задержки подключен zo второму входу первого элемента совпадения и выход второй схемы временной задержки подключен ко второму входу второго элемента совпадения, о т л ич ающийся тем, что, с цельюраоширения области применения. вентильного двигателя эа счет возможности безынер ционного регулироввния скважности и угла опережения включения бесконтвкт ных ключей коммутатора при любом направлении и частоте вращения электродвигателя, первая схема временной задерж-. ки дополнительно содержит синхронизирующий транзистор, коллектор которого присоединен непосредственно ко второму выводу времязадающего конденсатора и через токоограничительный резистор к источнику управляющего напряжения, а базовый вывод синхронизирующего транзистора подключен через резистор к выходу преобразователя постоянного напряжения в переменое.

2. Двигатель но н. 1, о т л и ч аю m и и с я тем, что сигнальный элемент датчика положения ротора выпол нен в виде ромба, намагниченного в направлении большей диагонали.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 313261,,кл. H 02 К 29/02, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР.

¹ 311343, кл. Н 02 К 29/02, 1969.

3. Авторское свидетельство СССР № 550732, кл. Н 02 К 29/02, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке ¹ 2640361/24-07, кл. Н 02 К 29/02, 03.06.78, 828813 ие.

Составитель А. Санталов

Редактор П. Макаревич ТехредН.Майорощ Корректор М. Шароши

Заказ 2531/76 Тираж 7 30 Подписное

ВНИИПИ Государственного. комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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