Вентильный двигатель

 

:1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ по авт. св. № 828930, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повыше ния КПД и расширения функциональных возможностей, в нем установлены пер вый счетчик импульсов, где старший разряд выполнен в многофазном коде по числу фаз двигателя, второй рёверсивный счетчик, аналогичный пО числу разрядов и их выполнению первому , формирователь синусоидальных многофазных напряжений, первый и второй цифровые двухвходовые сумматоры с выходными шинами в старшем разряде , второй вычитающий блок в многофазном коде, датчики тока в фазах двигателя, схема сравнения многофазных сигналов, где первая и вторая шины сигналов внешней частоты соединены с входными шинами первого и второго счетчиков, выходные цифровые шины первого счетчика соединены со входом формирователя синусоидальных многофазных напряжений и первыми входами цифровых сумматоров второй вход первого сумматора соединен с выходными цифровыми шинами второго счетчика, а второй вход второго сумматора - с внешними цифровыми шинами задания знака электромагнитного момента , выходные шины старшего разряда первого сумматора соединены с пер вым входом первого Еычитаюш;его блока, а выходные шины ь торого формирователя прямоугольных многофазных сигналов и выходные шины старшего разряда второго цифрового сумматора - соответственно с первым и вторым входами второго вычитающего блока, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения многофазных сигналов, второй вход схемы сравнения соединен с выходом первого формирователя прямоугольных многофазных сигналов,вход (О которого соединен с выходами датчиков тока, выходные шины схемы сравнения многофазных сигналов соединены с входными шинами задания режима работы второго реверсивного счетчика. :2. Двигатель по;п.1, о т л и - чаюш;ийся тем, что схема срав4 нения многофазных сигналов coдepжIiт 2т (т - число фаз двигателя) двух- ..J входовых логических элементов И,входные шины которых соединены с прямыми Ю и инверсными выходными шинами второго вычитающего блока, выходные шины элементов И соединены с входными шинами RS-триггеров, выходные шины которых соединены с прямыми и инверсными выходными шинами первого форми рователя прямоугольных многофазных ю сигналов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

2 А2 (19) (11) (51)5 Н 02 К 29/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 828930 (21) 2996278/24-07 (22) 23,10»80 (46) 15 ° 11 90. Бюл» №- 42 (72):В,И*Кочергин и .Г,Б Данков (53) 621«313»13»014»2 621«382(088»8) (56) Авторское свидетельство СССР № 828930, кл» Н 02 К 29/02, 1980, (54)(57) 1„ ВЕНТИЛЬНЪ|Й ДВИГАТЕЛЬ по авт св, № 828930, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения КПД и расширения функциональных возможностей, в нем установлены первый счетчик импульсов, где старший разряд выполнен в многофазном коде по числу фаз двигателя, второй реверсивный счетчик, аналогичный по числу разрядов и их выполнению первому, формирователь синусоидальных многофазных напряжений, первый и вто» рой цифровые двухвходовые сумматоры с, выходными шинами в старшем разряде, второй вычитающий блок в многофазном коде, датчики тока в фазах двигателя, схема сравнения многофазных сигналов, где первая и вторая шины сигналов внешней частоты соединены с входными шинами первого и второго счетчиков, выходные цифровые шины первого счетчика соединены со входом формирователя синусоидальных многофазных напряжений и первыми входами цифровых сумматоров, второй вход первого сумматора соединен с выходными цифровыми шинами второго счетчика, а второй вход второго сумИзобретение относится к области электротехники, в частности к венматора — с внешними цифровыми шинами задания знака электромагнитного момента, выходные шины старшего разряда первого сумматора соединены с первым входом первого гычитающего блока, а выходные шины второго формировате ля прямоугольных многофазных сигналов и выходные шины старшего разряда второго цифрового сумматора - соответственно с первым и вторым входами второго вычитающего блока, выход ко» торого соединен с первым входом схемы сравнения многофазных сигналов, второй вход схемы сравнения соединен с выходом первого формирователя прямоугольных многофазных сигналов, вход которого соединен с выходами датчиков тока, выходные шины схемы сравнения многофазных сигналов соединены с входными шинами задания режима работы второго реверсивного счетчика, :2, Двигатель по.п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что схема срав нения многофазных сигналов содержит

2m (m - число фаз двигателя) двухвходовых логических элементов И,входные шины которых соединены с прямыми и инверсными выходными шинами второго вычитающего блока, выходные шины элементов И соединены с входными шинами ВБтриггеров, выходные шины которых соединены с прямыми и инверс» ными выходными шинами первого формирователя прямоугольных многофазных сигналов, тильным двигателям, включавшим много» фазную машину с датчиком положения

944472

2S

50 ротора, сигналы которого управляют силовыми элементами мостового инвер тора, питающего эту машину, и пред назначено для использования в бесконтактных электроприводах различных объектов народнога хозяйства (станки с ЧПУ, промышленные роботы, автома тические линии и т д.) °

По основному авт, св, N - 828930 известен вентильный двигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом инвертора,, управляющие цепи ключей которого соединены через логическую схему с вторичной обмоткой датчика положения ротора, выполненного в ви де фазорегулятора с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов ротора, трехфазная первичная обмотка датчика соединена с выходом трехфазного ис гочника повышенной частать., где логическая схема содержит два формирователя прямоугольных трехфазных сиг напав и вы итающий блок в трехфазном коде вторичная обмотка фазорегулята ра выполнена трехфазной, причем первичная обмотка фазорегулятора соединена с входом первого формирователя, вторичная обмотка соединена с входом второго формирователя, а rrrxopные ши» ны первого и второго формирователей = с входами вычитающега блока, выходные шины которага соединены с управляющи» ми цепями ключей инвертара.

В этом двигателе достигается вы сокая плавность,цвижения, когда сред нее значение угла между вектором па» тока ротора Д и напряжением статора

U поддерживается неизменным, а форма выходного напряжения инвертора соответствует широтно-импульсной модуляции (IIIMN) rro трапецеидальному за кону, близкому к синусоидальнай БЫМ, По данному принципу возможно по строение вентильного двигателя любои фазности»

Недостатком известного двигателя является изменение угла между векто» рами потока ротора Р и тока статара

I при изменении частоты вращения, Это изменение угла приводит к снйжению на высоких частотах вращения

КПД двигателя и не повзаляет использовать в нем синхронно-реактивную машину из-за сложности осуществ» ленив управляемого реверса, Цель изобретения повышение КПД и расширение функциональных возмож настей»

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе установлены первый счетчик импульсов, где старший разряд выполнен в многофазном коде по числу фаз двигателя, второй реверсивный счетчик, аналогичный по числу разрядов и их выполнению с пер вым, формирователь синусоидальных многафазных напряжений, первый и второй цифровые двухвходовые сумматоры с выходными шинами в старшем разряде, второй вычитающий блок в многофазнам коде, датчики тока в фа зах двигателя; схема сравнения многофазных сигналов, где первая и вторая шины сигналов внешней частоты соеди нены с выходными шинами первого и второго счетчиков, выходные цифровые шины первого счетчика соединены с входом формирователя синусоидальных мнагофазных напряжений и первыми входами цифровых сумматоров, второй вход первого сумматора соединен с выходными цифровыми шинами второго счетчика, а второй вход второго сум матора - с внешними цифровыми шина ми задания знака электромагнитного момента; выходные шины старшего раз ряда первого сумматора соединены с первым входом первого вычитающего блока, а выходные шины второго формирователя многофазных сигналов и вы хадные шины старшего разряда второго цифрового сумматора соединены соот ветственна с первым и вторым входами

f второго вычитающего блока, выход ко» тараго соединен с первым входом схе» мы сравнения многофазных сигналов; второй вход устройства сравнения со» единен с выходом первого формирователя прямоугольных многофазных сигна лав, вход которого соединен с выходами датчиков тока; выходные шины схе мы сравнения многофазных сигналов соединены с входными шинами задания режима работы второго реверсивного счетчика, Устройство сравнения много фазных сигналов содержит 2Dr {т чис ло фаз двигателя) двухвходовых логических схем И, входные шины которых соединены с прямыми и инверсными вы ходными шинами второго вычитающего блока; выходные шины схем И соедине" ны с входными шинами RS-триггеров, выходные шины которых соединены с

944472 первым входом логической схемы, вто-, рой вход которой соединен с прямыми и инверсными выходными шинами первого формирователя прямоугольных многофазных сигналов.

На фиг 1 представлена блок-схема устройства; на фиг,2 - цифровые сигналы Е на выходных шинах первого счетчика и С, С на выходных шинах 10 второго цифрового сумматора для двух знаков электромагнитного момента; на фиг 3 эквивалентные многофазному (трехфазному) коду цифровые сигналы обычного цифрового кода на выходных 15 шинах второго цифрового сумматора С и на выходных шинах второго формиро вателя В; на фиг,За - когда угол меж» ду трехфазными сигналами С и В меньше 2u/3; фиг Зб - угол между- трехфазными сигналами больше и/3 и мень™

/ ше 2и/3; фиг.Зв - угол между трех/ фазными сигналами больше 2и/3 и меньше 7; фиг Зг - угол между трехфазны.ми сигналами больше и и меньше 4и/3;

f Л фиг,Зд - угол между трехфазными сигналами больше 47 /3 и меньше 5(i/3; фиг,3e — угол между трехфазными сигналами больше 5u/3 и меньше 2Т (Слева от этих цифровых сигналов при- 30 ведены значения разности между сигналами С и:В, Аналогичным образом изображаются цифровые сигналы разности между сигналами А и В); на фиг.4 приведены эквивалентные многафазному (трехфазному) коду цифровые сигналы обычного цифрового кода на выходных шинах второго вычитающега блока Q за оборот двигателя и соответствующие им многофазные (трехфазные) сигналы 40

L; на фиг ° 5 многофазные (трехфазные) сигналы на выходных шинах второго вычитающего блока 0(с1„,с1„,с1.), соответствующие им сигналы обычного цифрового кода и сигналы К<«К6, на 45 фиг,6 - принципиальная схема устройства сравнения многофазных (трехфаз» ных) сигналов; на фиг,7 - многофаз ные (трехфазные) сигналы на выходных шинах первого формирователя прямо- 50 угольных сигналов I(i.,i<,i>) и сиг™ налы L(l<,1,1 ); на фиг.7а - сигна» лы L опережают по фазе сигналы I; на фиг,7б - сигналы L отстают по фазе ,от сигналов I; на фиг.8 приведена 55 таблица разности в цифрах обычного кода сигналов I и L; на фиг 9 - век торная диаграмма вентильного двигате ля с двухполюсной синхронной машиной, когда на всех скоростях вращения угол между векторами потока ротора Р и така статора I поддерживается равным 90 эл град; на фиг,10 - векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной синхронно-реактивной машиной, когда угол между сектором тока статора I и продольной осью ро» тора поддерживается равным / (45 эл, град.

В качестве примера будем рассматривать трехфазный вариант вентильного двигателя.

Выходные шины трехфазного мостового инвертора 1 соединены с обмотками статора трехфазной синхронной или синхронно реактивной машины:2

В фазах двигателя установлены датчики тока 3, выходы которых соединены с входными шинами первого фармнрова» теля 4 трехфазных прямоугольных сиг налов, На валу двигателя установлен фазорегуля rop 5, число пар полюсов которого равно числу пар полюсов двигателя.2, Первичные обмотки фазорегулятора 5 подключены к высокочастот ному источнику трехфазного синусоидального напряжения. который состоит из последовательно соединенных первого счетчика 6 и формирователя синусоидальных трехфазных напряже-ний:7. Счетчик 6, счетный вход кото» рого соединен с шиной 8 внешней час таты f,,состоит из последовательно ь соединенных млацших разрядов 6а и старшего разряда 6б который выпал нен в трехфазном коде Цифровые вы» ходы шины счетчика 6 соединены с входом формирователя ? н первыми входами первого 9 и второго 10 цифровых сумматоров, которые имеют выходные цифровые шины для старшего трехфазного разряда Второй вход первого сумматора 9 соединен с цифровыми выходными шинами второго ревер сивнаго счетчика 11, емкость которого аналогична счетчику:6. Счетный вход счетчика 11 соединен с шиной

12 внешней частоты f . Второй вход второго сумматора 10 соединен с входными цифровыми шинами 13 задания знака электромагнитного момента, Выходнь:е обмотки фазорегулятора 5 под . ключены к входным шинам второго фор мирователя 14 прямоугольных трехфазных сигналов. Выходные шины формирователя 14 подключены к вторым входам первого 15 и второго 16 внчитающих

944472 блоков, Первый вход первого вычитающего блока 15 подключен к выходу сумматора 9, а первый вход второго блока 16 - к выходу сумматора 10, 5

Выходные шины блока 15 соединены с управляющими входами силовых элемен тов мостового инвертора:1. Выходные шины формирователя 4 и блока 16 подключены к входу схемы сравнения 17 трехфазных сигналов. Выходные шины схемы 17 соединены с входными шинами задания режима работы реверсивного счетчика 11, Выполнение счетчика 6, 11 и сумматоров 9, 10 общеизвестно, Выполнение вычитающих блоков 15, 16 приведено в (1J

Схема сравнения трехфазных сигна лов (Фиг 6) состоит из двухвходовых 20 логических элементов И 18-23, первые входы которых соединены с прямыми и инверсными IliHHBMH сигналов второго вычитающего блока 16 На выходных шинах логических элементов 18 23 фор 25 мируются соответственно сигналы !! 3fV1t4!! q ц, у T!0t!V!!1 !!

4 !!4!!1!!!5!! —, 1 !!1 !!Ч!!2!!

5 Ъ (Фиг.5), Выходные шины логических 30 элементов 18, 19 соединены с входными шинами RS-триггера 24, выходные шины логических элементов 20, 21 триггера 25, выходные шины логичес ких элементов 22, 23 - триггера 26, Выходные шины триггеров 24-26 трех

Фазных сигналов L соединены с первым входом логического элемента 27, вто .рой вход которого соединен с выходными шинами формирователя 4 трехфаз-,щ ных сигналов;Х, Логический элемент формирует два сигнала ш! и ш по следующему логическому закону

m ) = Q 13 1! А)71! 121 izU1 Zlzz i.z1 Х

Vl f 1 5 i i i 3U1 1 1z i j iK V12 1 3 j2 1з»

45 ш2 1! 13 3 ъ 1i 12 Р121y z >3х х Vli 1.3 1 >3V1) 1 ь l 71 13 2х

Схема устройства работает следую щим образом, 50

При рассмотрении работы устройст ва первоначально примем, что в нем установлена двухполюсная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов, Примем выполнение счетчи ков 6, 11 емкостью от "0" до "599" цифровых сигналов (младшие разрядыот "0" до "99", старший разряд от

"0" до "5"}.

Сигналы высокой частоты Е», по ступая на входную шину 8 счетчика 6, вызывают периодическое появление на его выходных щинах цифровых сигналов

Е от "0" до "599" (фиг,2). Сигналы, например, старшего разряда, которые соответствуют трехфазным прямоуголь ным напряжениям, формируют в блоке 7 (фильтру выделения первой гармоничес кой составляющей) синусоидальные трехфазные напряжения U!i, питающие первичные обмотки фазорегулятора:5, Такое же синусоидальное напряжение наводится на выходных обмотках фазорегулятора 5, которое в форьировате» ле 14 преобразуется в трехфазные пря моугольные сигналы, Фаза выходного напряжения фазорегулятора 5 изменяет ся относительно первичного напряжения питания от нуля до 2 я в зависи» мости or углового положения ротора двигателя, Такие же угловые соотношения сохраняются между трехфазными прямоугольными сигналами на выходе

Формирователя 14 и сигналами старше го разряда счетчика:6, Для создания положительного знака электромагнит ного момента (против часовой стрелки), когда угол между вектором маг» нита ротора g и вектором тока ста тора I равен 90 эл.град,, на входные цифровые шины 13 подаются цифровые сигналы Н, соответствующие цифре

"350" (обратные цифре "149"), а для создания электромагнитного момента другого знака - сигналы, соответствующие цифре "149". Этим самым обес печивается сдвиг, цифровых сигналов

Е на выходных шинах сумматора 10 от носительно цифровых сигналов Е на его входных шинах на -Т/4 и +Т/2, где Т - период частоты напряжения пи тания:5, При частотах вращения двигателя около нулевого значения, когда вектор. тока статора Х и напряже ния б совпадают по фазе, такие же цифровые значения устанавливаются в реверсивном счетчике 11, Следовательно, цифровые сигналы А на выход ных шинах сумматора 9 сдвинуты отно сительно сигналов Е в полном .соот ветствии с сигналами С на выходных шинах сумматора 10 Рассмотрим работу для положительного знака электромагнитного момента, При угловом положении ротора, когда трехфазные напряжения на выходных шинах суммато-, ра 9 и Формирователя 14 совпадают

35 а

94447 и, следовательно, изменение цифровых сигналов происходит синхронно, их разность на выходных шинах блока 15 соответствует цифре "0" ° Этому значению соответствует включение силовых элементов мостового инвертора, когда вектор напряжения располагается под углом -Т/2 к вектору Р . При вращении ротора от 0 до и /3 происходит периодическое появление на выходных шинах блока 15 цифровых сигналов "0", "1" (фиг ° За). Причем, при приближении ротора к угловому положению 7 /3 время появления на выходе блока 15 цифры "1" увеличивается, а цифры "0" уменьшается. При угловом положении ротора Т/3 разность между цифровыми сигналами А и В соответствует цифре "1" ° Этому положению со- 20 ответствует вектор напряжения, который расположен к вектору потока рото

/ ра под углом -и/2. При дальнейшем вращении ротора двигателя от значения /3 до 27 /3 (фиг«Зб) происходит 25 периодическое появление на выходных шинах блока 15 цифровых сигналов

"1", "2", Причем при приближении рог. тора к угловому положению 2и/3 время появление цифры "2" увеличивается, 30 а цифры "1" уменьшается„ При угловом положении ротора 2i /3 (фиг.Зв) разность между цифровыми сигналами А и

В соответствует цифре "2" . Этому положению также соответствует вектор напряжения, который расположен к вектору потока ротора под углом - «/2 и:т.д, Таким образом, при частоте вращения около нулевого значения работа 40 устройства полностью совпадает с известным по основному авт.св., когда среднее значение угла между векторами потока ротора Р и напряжения Ix, а

\ следовательно, и тока I поддерживает 45 ся неизменным и равным /2. При этих частотах цифровые сигналы Q на выходных шинах блока 16 полностью совпадают с цифровыми сигналами D на выходных шинах блока 15 (фиг.4). 50

При этом цифровые сигналы К -К б (фиг 5) с выходных шин логических элементов "И" 18 23 формируют на выходных шинах К$-триггеров,24-26 трехфазные прямоугольные сигналы 55

1.(1,,1,1,), частота которых совпадает с частотой выходного напряжения мостового инвертора 1, а фаза совпадает с аналогичными трехфазными пря10 моу гольными сигналами на выходных шн» пах формирователя 4. Следовательно, на выходных шинах m <, m < схемы 1 7 не будет сигналов и счетчик 11 сохраняет цифровое значение "350"

При увеличении частоты вращения, когда вектор тока статора начинает отставать от вектора напряжения на угол С ) О, происходит сдвиг между трехфазными сигналами I(i<,i. i. ) на выходных шинах блока 4 и сигналами

1.(1,lZ l ) (фиг,7а), Цифровое значение разности этих сигналов в эквивалентных цифрах обычного кода может выражаться значениями "1", "2". В соответствии с таблицей разности цифровых сигналов L, I (фиг,8) множество значений для цифр "1", "2" определяется логичесыл" выражением для сигнала т, когда счетчик 11 включа"ется для режима. суммирования поступаюцих на его вход импульсов внешней частоты. Увеличение цифровых сигналов на выходных и гнах счет гика 11 приводит к развороту вектора напряжения (фиг 9) U по направлению вращения ротора двигателя до тех пор, пока вектор тока I не займет положения под углом — и/2 к ьек ropy потока ротора @ и сигналы !., I не будут совпадать по фазе. В это время счетчик ll будет остановлен. Если произойдет уменьшение частоты вращения, то сдвиг между трехфазными сигналами

L будет определяться фиг,7б, когда цифровое значение разности этих сигналов в эквивалентных цифрах обычного кода может выражаться значения ми 5", "4". В coora="òñòûèè с таблицей разности цифровых сигналов L I (фиг.8) множество цифровых значений для цифр "5", "4" определяется логическим выражением для сигнала т, когда реверсивный счетчик 11 включается для режима вычитания поступающих на его вход импульсов частоты

Уменьшение цифровых сигналов на выходных шинах счетчика 11 приводит к развороту вектора напряжения П, про» тив вращения ротора двигателя до тех пор, пока вектор тока I не займет по

r ложение под углом - /2 к вектору потока ротора ф и сигналы L I не будут совпадать по фазе и:т.д.

Работг устройстга при отрицательном знаке электромагнитного момента аналогична рассмотренной выше °

944472

Работа устройства при использова нии в нем.-синхронно реактивного двигателя (фиг.10) будет отличаться от рассмотренной выше только значениями " цифровых еигналов на входных шинах

5 блока 10, что определяет расположение оси стабилизации направления вектора тока статора под углом P c 45 эл. град, к продольной оси ротора„

Таким образом, устройство позво ляет использовать не только синхрон ную машину, но и синхронно-реактив

12 ь ную, когда во всех режимах работы обеспечивается .-поддержание неизмен ным оптимального угла между вектором тока статора и продольной осью рото ра двигателя что ведет к повышению

КПД двигателя на высоких частотах вращения, При этом форма вь .ходного напряжения инвертора также, как в основном:изобретении,,соответствует широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по трапецеидальному закону, близкому к синусоидальной ШИМ, 944472

Техред JI. Ñåðäþêîâà Корректор М Демчик

Р едак тор О,Филиппова

Заказ 4346 Тираж 438 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производствеинс>--издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул. Гагарина, 101