Вентильный электродвигатель

 

Союз Советскнк . Соцналнстнческнк

Республик

ОП ИСАНИЕ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 29.04.81 (21) 3284364/24 07 с присоединением заявки Ля (23) Приоритет (51)М. Кл.

Н 02 К 29/00

Веудорствкяный комитет

СССР яо делам изобретений и открытий

Опубликовано 30.10.82. Бюллетень № 40

Дата опубликования описания 30.10.82 (5З) УДК 621.313..13,014.2:621.382 (088.8) (72) Авторы изобретения

О. А.,Серков и В. Ф. Шепелин

Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно— исследовательский проектно — конструкторский и технологИЧеский -.1 институт релестроения (7!) Заявитель (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям для регулируемого электропривода и может найти применение в электроприводах металлорежущих станков и других механизмов.

Известен вентильный электродвигатель (ВД), содержащий датчик положения ротора, каждый чувствительный элемент которого соединен через группы многовходовых логических схем И с входами, по крайней мере, двух усилителей мощности, осуществляющих подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока, причем вторые входы схем И каждой группы соединены с соответствующими входами командного устройства (1) .

Недостаток такого ВД заключается в невозможности плавного в широких пределах регулирования угла опережения включения силовых вентилей для обеспечения высоких энергетических показателей ВД и коммутации тока о тиристоров инвертора в случае применения ВД с зависимым инвертором, что отрицательно влияет на динамические характеристики двигателя.

Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности вентильный двигатель, содержащий синхронную машину, секции якорной обмотки которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, имеющему широкий (Π— 180 эл.град) предел регулирования угла опережения открывания тиристоров инвертора, индуктор, якорь, секции обмотки которого через ключи инвертора подключены к регулируемому выпрямителю, датчик положения ротора, состоящий из высокочастотного генератора, выходных обмоток и усилителей, причем к выходным каналам усилителей датчика положения ротора подключены входы генератора пилообразных напряжений, преобразователя частоты в напряжение и первые входы логических схем совпадения, объединенных выходными зажимами по три на каждый канал управления, нуль — орган, преобразователь опорного напряжения, вход которого подключен к выходу задатчнка углов управления, выход нуль — органа подключен на вторые входы логических схем совпадения, а каждый из трех выходов преобразователя опорного

970578 напряжения подключен к одному иэ третьих входов логических схем совпадения одного канала управления, объединенные выходы логических схем совпадения каждого канала управления, подключены на входы статических триггеров, включенных по кольцевой пересчетной схеме, и импульсные устройства управления инвертором, входы которых подключены к выходам статических триггеров, а выходы — на входы ключей инвертора. 11ри вращении ротора 111

ВД на выходе усилителей датчика положения ротора появляются сигналы (логическая еди ница) длительностью 60 эл град, частота следования которых в устройстве преобразуется в напряжение и подается на вход генератора нилообразных напряжений. При этом наклон пилы пропорционален выходному напряжению устройства, частоте следования сигналов с датчика положения ротора, а значит,и скорости двигателя и амплитуда пилы не зависит от скорости, Сигнал на переключение ключей инвертора поступает через импульсные устройства управления с выхода статических триггеров, которые, в свою очередь, управляются сигналом с объединенных выходов. логических схем совпадения, появляющимся при наличии на всех трех, вхо. дах одной из них логических единиц, При этом .генератор пилообразных напряжений регулирует фазу сигнала управления в пределах 0—

60 эл.град., а преобразователь опорного напряжения — на величину, кратную 60 эл,град.

Сигналы с выхода датчика положения ротора. определяют зону прохождения данных сигналов на вход статического триггера и секцию син-, хронной машины, по которой должен быть пропущен ток нри данном положении рото- 35 ра (2).

Недостатком известного ВД является отсутствие информации на входах статических триггеров в первый момент после подачи напряжения питания на силовые цепи и цепи управления (на всех трех выходах командного устройства присутствуют логические нули, на .выходе всех логических схем совпадения— также нули) . Поэтому статические .триггеры могут находиться в произвольном состоянии и подать управляющий сигнал на ключи инвертора, не соответствующие положению датчика положения ротора ВД. При этом пусковой момент, несмотря на наличие большого тока, может быть близок к нулю. . Мгновенное значение момента, развиваемого двигателем при протекании постоянного тока по двум секциям ВД, зависит от положения ротора и определяется формулой 55

M макс со @ р где М„ а „ — максимальное значение момента

ВД;

6 — угол сдвига ротора от положения, соответствующего максимальному момецту.

При работе ВД с углами опережения открывания ключей иивертора по отношению к точке яереоечення ааных ЭНО SS = О, но сооенеа. ствует 8„=, угол 6 меняется в пределах у

+ — - и мгновенные значения момента

6 Ь лишь на 14% меньше его максимального значения. Но если включить двигатель в момент, когда fb = --, то, несмотря на наличие тока

Л в секциях, момент ВД будет равен нулю (Он — 90 эл.град) и его ротор остается в неl подвижном состоянии. То же происходит и

Tl при р < —, но при наличии момента статичесТ кой нагрузки на валу.

Аналогичное явление наблюдается и при смене направления вращения двигателя, когда состояние некоторых статических триггеров до прихода новой информации соответствует прежнему вращению и углы управления ключами инвертора не соответствуют оптимальным значениям.

Кроме того, при применении зависимого инвертора с коммутацией тиристоров за счет

ЭДС фаз синхронной машины несоответствие углов управления заданным при переключении режимов работы может привести к прорыву инвертора и отключению двигателя.

Таким образом, известный ВД не обеспечивает пуск с номинальным статическим моментом на валу и имеет неудовлетворительные динамические характеристики, с

Цель изобретения — улучшение динамических характеристик вентильного двигателя путем увеличения начального значения момента ВД при пуске, реверсе и измененйи режима работы.

Указанная цель достигается тем, что в вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину, секции якорной обмотки которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, датчик положения ротора, генератор пилообразного напряжения, нуль — органы, выходы которых связаны с

S входами логических схем совпадения, у кото- . рых объединены выходы каналов управления, статические триггеры и узел фиксации исходного состояния схемы, введены две группы логических схем совпадения, первые входы которых подключены непосредственно или через инвертирующие логические схемы на соответствующие выходы датчика положения,, ротора, вторые входы введенных логических схем совпадения первой группы подключены непосредственно или через инвертирующую логическую схему к выходам логических схем совпадения с объединенными выходами, 970578

10 I 5

30

55 а выходы — на входы соответствующих статических триггеров, вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены непосредственно или через логическую схему

И вЂ” НЕ на выход узла фиксации исходного состояния схемы.

Вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы могут быть подключены непосредственно или через логическую схему И вЂ” НЕ на выход логического устройства бестокового переключения режимов работы двигателя. Кроме того, могут быть введены ключи и узел дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен непосредственно или через логическую схему И вЂ” НЕ на вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы, ключи включены между выходами датчика положения ротора и первыми входами логических схем совпадения дополнительно введенной первой группы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема вентильного электродвигателя; на фиг. 2— временные диаграммы, поясняющие его работу.

ВД содержит синхронную машину 1 (СИ), секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения, состоящему, например, из регулируемого выпрямителя 4 с системой

5 импульсно — фазового управления, системой

6 регулирования тока и скорости, датчиком

7 нулевого тока и задатчиком 8 скорости ,и направления вращения и датчик 9 положения и пути ротора.

К выход иканалов датчика 9 пути подключены входы индикатора 10 направления вращения и генератора 11 пилообразных напряжений, содержащего, например, счетное устройство и преобразователь код — аналог. Выход генератора пилообразных напряжений подключен на входы нуль — органов 12 — 14, имеющих разный уровень смещения рабочей точки. Вторые входы нуль — органов объединены и подключены на выход задатчика 15 угла управления инвертором. Устройство также содержит по три на каждый канал логических элемента совпадения с объединенными выходами (на первый канал — логические схемы 16 — 18), первые входы которых непосредственно или через ключи 19 (для реверсивного ВД) подключены на выходы соответствующих нуль— органов. Вторые входы логических схем 16—

18 подключены на соответствующие выходы устройства 20 преобразования сигналов с дат-! .чика положения ротора в импульсы длительностью 60 эл.град. Выходы устройства 20 через дифференцирующие цепочки 21 подключены также на вход генератора 11 пилообразных напряжений. Объединенные выходы логических элементов совпадения 16 — 18 подключены через инвертирующую логическую схему 22 на входы логических элементов 23 и 24 совпадения дополнительно введенной первой группы, вторые входы которых подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 25 (для других каналов управления — через логические схемы 26 и 27) и ключи 28 (для реверсивного ВД) на вход датчика положения ротора. Первые входы логических схем 29 и

30 совпадения дополнительно введенной второй группы подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 31 (для других каналов управления через логические элементы 32, 33) на выход датчика положения ротора ВД.

В нереверсивном ВД вместо двух групп инверти,рующих логических элементов 25 — 27 и 31 — 33 может использоваться только одна, например

31 — 33. Вторые входы логических элементов 29 и 30 совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены через логическую схему И вЂ” НЕ 34 на выходы узла 35 дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, узла 36 фиксации исходного состояния схемы, представляющего собой, например, релейный элемент, включенный в исходном состоянии схемы, и логическое устройство 37 бестокового переключения режимов работы. Соответствующие выходы дополнительно введенных логических элементов совпадения первой и второй групп объединены и подключены на входы статических триггеров (для первого канала управления — на вход статического триггера 38), выходы которых непосредственно или через ключи 39 (для нереверсивного ВД с торможением и реверсивного ВД) подключены к соответствующим входам дешифратора сигналов с триггеров, выполненных на логических элементах И вЂ” НЕ 42—

47. Логические элементы 16 — 18, 22 — 24, 29 и

30 с триггером 38 и ключами 39 предназначены для формирования зон управления противофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазе А синхронной машины. Для управления противофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазам В и С синхронной машины, служат аналогичные группы схем 40 и 41.

Выходы дешифратора на логических элементах 42 — 47 подключены на входы импульсных устройств 48 — 53 ут(равления тиристорами инвертора.

На фиг. 1 и 2 приняты также следующие обозначения:

970578

U импульсы Управления трристоров выпрямителя и инвертора;

U, U6, 00 — логические сигналы на выходе датчика положения ротора; .0,11 — напряжение на выходе генератора гпшообразных напряжений 11 и смещенные пилообразные напряжения на входе нуль-органов 12-14;

0, 4, 014, 021 — логические сигналы на выходе нуль — органов 12 — 14

: и логического элемента 22;

0,1 — напряжение на выходе задатчика 15 угла управления;

0», О, „0 р. — логические сигналы на выходах 1, 2 и 3 устройства 20;

02,1 — логические сигналы на выходе дифференци- рующих цепочек 21;

0 U — логические сигналы на первом

84» 0" 1 4 входе логических элементов

23и24;

U - 0 — логические сигналы на nepBt> " Ьь! 2. 0 вом и втором выходах статического триггера 38;

0 — логический сигнал на выходе

34 логического элемента И вЂ” НЕ 34.

В исходном состоянии схемы на выходе задатчика 8 скорости присутствует нулевой сигнал, углы управления тиристорами выпрямителя 4 близки к 160 эл. град и напряжение на выходе источника 3 регулируемого напряжения равно нулю .

На выходе узла 36 фиксации исходного состояния схемы находится логический нуль, который переводит счетное устройство.генератора пилообразных напряжений в исходное состояние, когда иа его выходе также присутствует нулевой сигнал.

При этом в зависимости . от уровня .сигнала с устройства 15 логический нуль может быть на выходе всех нуль — органов или только двух. В первом случае на выходе логических элементов 16 — 18 совпадения первого канала управления, а также аналогичных схем других каналов появляется логическая единица, на выходе инвертирующего логического элемента

22 — логический нуль, а выходах схем 23 и

24 — логическая единица, которая не влияет на состояние триггера 38.

Одновременно на выходе логического элемента И вЂ” HE 34 под действием сигнала с узла

36 появляется логическая единица, которая снимает блокировку с входа логических элементов 29 и 30 совпадения, При этом сигнал на выходе схем 29 и 30, а значит, и состояние триггера 39 определяется сигналом на их ,первых входах с датчика положения ротора.

Во втором случае, когда на выходе одного из нуль †орагн находится логическая единица, сигналы на выходах логических элементов 23 и 29, 24 и 30 совпадают и определяются сигналами с датчика положения ротора. "

Сигналы с выходов статических триггеров через ключи 39 (для первого канала управления) поступают на входы элементов 42 — 47-. совпадения, на третьи входы которых поступает сборка импульсов управления регулируемого выпрямителя и импульсы управления тиристорами, инвертора, сформированные, например, по фронтам переключения триггеров 38 и триггеров других каналов управления.

15 При наличии логических единиц на всех третьих входах соответствующих двух из шести логических элементов 42 — 47 на их выходах появляется логический нуль, а на выходе двух из шести импульсных устройств 48 — 53 э0 появляется управляющий сигнал, который открывает соответствующие два тиристора инвертора. Но поскольку на выходе выпрямителя 3 напряжение отсутствует, то ток в секциях синхронной машины не протекает и ротор двигателя неподвижен.

При появлении напряжения на выходе задатчика скорости заданной полярности, соответствующей, например, направлению "Вперед углы управления тиристорами выпрямителя 430 становятся меньше 90 эл.град и на выходе выпрямительного моста 4 появляется напряжение. Одновременно логическое устройство 37 переключается в состояние, соответствующее направлению "Вперед™, переводя при этом ключи 39 в положение, когда на входы логи35 ческих элементов 42-47 пос.у ают сиги с выходов триггеров 38 (для первого канала управления), также соответствующие направлению "Вперед™.

На выходах двух импульсных устройств появляются управляющие импульсы, два тиристора инвертора 2 открываются и по секциям

СМ в соответствии с состоянием датчика положения ротора начинает протекать ток и ротор двигателя поворачивается на определенный угол.

45 Индикатор 10 направления вращения включается в состояние, соответствующее направлению

"Вперед *, включая в этом же направлении ключи 19 и 28.

При повороте ротора на выходе генератора

50 11 пилообразных напряжений сигнал снижается по линейному закону (может быть построена схема ВД, работающая и на нарастание сигнала на выходе генератора пилообразных напряжений), 55

При уменьшении на входе нуль — органа, например,12 суммы сигналов с генератора 11 и источника смещения ниже сигнала с задатчика 15 на его выходе появляется логическая

970578

10 единица, которая поступает на первый вход логического элемента 16 первого канала управления и первые входы аналогичных схем второго и третьего каналов управления. При этом в соответствии с 60 град. зоной разрешения (наличие логической единицы на втором входе, например, логической схемы 16 с устройства

20) сигнал с нуль-органа проходит через логический элемент 22 на вход логических элементов совпадения 23 и 24, на одш» из первых входов которых, например 23, поступает сигнал разрешения (логическая единица) длительностью 180 эл.град через ключи 28 с датчика

9 положения ротора. При наличии двух логических.единиц на входе логического элемента

23 на ее выходе появляется логический нуль, который переключает статический триггер 38.

Сигнал на входах логических схем И вЂ” НЕ 42, 43, 46 и 47 меняется, что приводит к включению других импульсных устройств и открытию другой пары ключей инвертора 2. При этом ток нагрузки протекает по другим секциям СМ и ротор двигателя начинает поворачиваться на следующие 60 эл.град.

В моменты смены сигналов с каналов дат

25 чика положения ротора (через 60 эл.град) дифференцирующие цепочки 21 пропускают передний фронт сигнала на вход генератора пилообразных напряжений, который приводит генератор в исходное состояние. При дальнейшем повороте ротора сигнал на его выходе вновь снижается по прямолинейному закону и после его уменьшения ниже задающего с задатчика 15 вновь включается нуль — орган и сигнал с него проходит в соответствии с зонами разрешения с устройства 20 и датчика положения ротора на вход статического триггера, но уже другого канала управления. Вновь происходит переключение ключей инвертора

2 и поворот ротора еще на 60 эл.град. СМ работает в двигательном режиме. При этом на выходе узлов 35 и 36 присутствуют логические единицы, а на выходе логической схемы

И вЂ” HE 34 — логический нуль, который запрещает прохождение сигнала с датчика положения ротора на логические элементы 29 и 30 и

45 вход статического триггера и последний управляется сигналами с нуль — органа в соответствии с сигналами зон разрешения»: датчи. ка 9, поступающими через ключи 28 и логические элементы 25 — 27 на входы логических 50 элементов 23 и 24.

Сигнал на перевод ВД в тормозной режим или на реверс поступает с системы 6 регулирования тока и скорости ВД. При этом тирис55 торы выпрямителя 4 переводятся в инверторный режим, ток секции СМ спадает ло нуля, логическое устройство 37 переключается, переключая ключи 39 таким образом, чтобы фаза сигналов со статических триггеров на входы логических элементов 42 — 47 сменилась на

180 эл.град. Одновременно в момент переключения логического устройства 37 на одном из

его выходов кратковременно появляется логический нуль, который поступает на вход логического элемента И вЂ” НЕ 34. На ее выходе появляется логическая елиница, которая поступает на входы логических элементов 29 и 30 первого канала управления и входы аналогичных схем других каналов управления. При этом на их выходах появляются сигналы в соответствии с сигналами датчика 9, приводя в соответствие с ними состояние статических триггеров.

Если в первый момент после исчезновения логического нУлЯ на входе элемента 34 сиг. палы на выходе нуль — органов 12 — 14 равны нулю, то углы управления тиристоров инвертора 2 устанавливаются в соответствие с датчиком положения ротора, сохраняя свое значение до прихода информации с нуль — органов.

Аналогичным образом происходит обновление информации на входе статических триггеров и при смене направления вращения.

При этом в случае переключения индикатора направления вращения через узел 35 дифференцирования фронтов сигналов на входе логпчес. кого элемента 34 появляется кратковременно логический нуль, а на его выходе — логическая еди»пща, разрешая прохождение сигналов с датчика 9 на вход статических триггсров.

Таким образом, благодаря использованию вновь введенных элементов перед пуском, сме. ной направления вращения и при переключении режима работы происходит установка статических триггеров в соответствие с датчиком положения ротора, а значит, и углов управления ключами»»нвертора соответственно задан ным. Это повышает пусковой момент двигателя, улучшает его динамические характеристики и позволяет применить наиболее простой тип инвертора — зависимый, где коммуташ»я тока тиристоров осуществляется за счет ЭДГ секции вентильного двигателя.

Формула изобретения

1. Вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, якорь с обмоткой, секции которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, датчик положения ротора, генератор пилообразного напряжения, нуль — органы, выходы которых связа»»ь» с входами логических элементов совладения, у которых объединены выходы каналов управления, статические триггеры и узел фиксации исходного состояния триггеров, о т л и ч а ю9705.78 шийся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик вентильного двигателя, введены две группы логических элементов совпадения, первые входы которых подключены к выходу датчика положения ротора, вторые входы введенных логических элементов совпадения первой группы подключены к выходам логических элементов совпадения с объединенными выходами, а выходы соединены с входами статических триггеров, вторые )O входы логических элементов совпадения введенной второй группы объединены и подключены к выходу узла фиксации исходного состояния.

2, Электродвигатель по п. 1, о т л и15 ч а ю шийся тем, что он снабжен блоком бестокового переключения режимов работы двигателя, к выходу которого подключены вто12 рые входы логических элементов совпадения введенной второй группы.

3, Электродвигатель по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что дополнительно введены ключи и узел дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен на вторые входы логических элементов совпадения введенной второй группы, ключи подсоединены между выходами датчика положения ротора и первыми входами логических элементов совпадения введенной первой группы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 524275, кл. Н 02 К 29/00, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР Р 527804, кл. Н 02 К 29/00, 1974.

970578

0гп,з

Urt

U> ь ui/

0>у ик-01

Vjg

Цц

6z

LIB f а

Ь».<

EO

Ф

38

Фых.

Ф

Vyg

ВНИИПИ Заказ 8415/70 Тираж 721 Подписное

Филиал ППП -Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4