СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1994 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения КПД вентильного электродвигателя постоянного тока.

Известен способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (1), заключающийся в том, что измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и его частоту вращения, и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанных измеренных параметров и угла установки датчика положения ротора по закону
U_i=Usin(pϕ+(i-1) +β) где U - напряжение питания синхронной машины;
р - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ- угол положения ротора синхронной машины;
n- число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β- угол установки датчика положения ротора.

Одновременно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора в зависимости от частоты вращения ротора синхронной машины и амплитуды напряжения, подводимого к якорным обмоткам синхронной машины.

Известен также способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (2), заключающийся в том, что угол установки датчика положения ротора изменяют по определенному закону в зависимости от частоты вращения ротора синхронной машины. Недостатком его является низкий КПД вентильного электродвигателя постоянного тока. Недостаток обоих способов состоит в необходимости измерения частоты вращения ротора, что для многополюсных высокомоментных вентильных электроприводов с низкой частотой вращения ротора синхронной машины, какими являются, например, безредукторные приводы степеней подвижности манипуляторов, представляет сложно реализуемую процедуру. Неточность измерения низкой частоты вращения приводит к снижению КПД вентильного электродвигателя постоянного тока, вследствие неточного вычисления угла установки датчика положения ротора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (2), заключающийся в том, что угол установки датчика положения ротора изменяют по определенному закону в зависимости от тока, потребляемого синхронной машиной от источника питания, и частоты вращения ротора. Его недостаток - также низкий КПД вентильного электродвигателя, обусловленный неперпендикулярностью магнитных полей, создаваемых ротором и якорными обмотками синхронной машины.

Целью изобретения является повышение КПД вентильного электродвигателя постоянного тока.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления вентильным электродвигателем постоянного тока с датчиком положения ротора на валу его синхронной машины, при котором измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанного измеренного параметра и угла установки датчика положения ротора по закону
_+β)
и дополнительно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора, одновременно, с целью повышения КПД вентильного электродвигателя постоянного тока измеряют момент на валу синхронной машины и указанное изменение угла установки датчика положения ротора осуществляют по закону
β=-arcsin +arctgT_эW
при
1, и по закону, удовлетворяющему соотношению
cos(β)sin(β)+T_эW_х=T_эW_хcos(β),,
при
1, причем из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наименьшему значению выражения
+
+ где U - напряжение питания синхронной машины;
р - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ- угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β- угол установки датчика положения ротора;
T_э=p - электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки;
W_x - скорость холостого хода синхронной машины при β= 0;
М - момент на валу синхронной машины;
М_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины.

На фиг. 1 приведена векторная диаграмма, поясняющая сущность предлагаемого способа; на фиг. 2 - функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.1 и в тексте описания приняты следующие сокращения и обозначения:
U_i - напряжение, подводимое к i-ой фазе якорной обмотки синхронной машины;
U - напряжение питания синхронной машины;
р - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ- угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β- угол установки датчика положения ротора;
- электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки;
W_x - скорость холостого хода синхронной машины при β = 0;
М - момент на валу синхронной машины;
М_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины;
U_R, U_L - активная и индуктивная составляющие падения напряжения на якорной обмотке синхронной машины;
Е - противоЭДС, наводимая в якорной обмотке синхронной машины;
I - ток в якорной обмотке синхронной машины;
УП - устройство перемножения;
КМ - усилитель мощности;
СМ - синхронная машина;
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ДПР - датчик положения ротора синхронной машины;
ДМ - датчик момента на валу синхронной машины;
АУ - арифметическое устройство.

Сущность предлагаемого способа управления вентильным электродвигателем постоянного тока заключается в следующем. В соответствии с методом двух реакций (3) процессы, протекающие в СМ, описываются соотношениями
L = Usinpϕ+(i-1) +-Еsinpφ+(i-1) +-I_iR, i=1, ...,n
= sinpϕ+(i-1), где Е= U_н .

Очевидно, что ток в фазе якорной обмотки изменяется по закону
, тогда момент, развиваемый СМ, определяется как
M=Mcos(α) .

В то же время, магнитный поток, создаваемый якорной обмоткой, пропорционален току I, поэтому отставание или опережение тока I от противоЭДС Е на угол α приводит к тому, что вектор суммарного магнитного потока якоря также будет отклоняться от перпендикулярного положения по отношению к вектору магнитного потока ротора СМ на угол α , что снижает момент, развиваемый СМ и ее КПД, поскольку неперпендикулярность магнитных полей ротора и якоря СМ приводит к появлению ненулевой проекции вектора магнитного поля якоря на продольную ось ротора, которая, не создавая вращающего момента, в то же время требует протекания соответствующих составляющих токов в фазах якорной обмотки, необходимых для ее поддержания, что и приводит к снижению КПД вентильного электродвигателя вследствие бесполезного рассеяния мощности указанных составляющих фазных токов якорной обмотки на активном сопротивлении R. Поэтому для повышения КПД необходимо выполнить равенство нулю угла α .

Из векторной диаграммы (фиг.1), являющейся геометрической интерпретацией приведенного ранее дифференциального уравнения, имеем
, где θ= arctg(T_эW),
U_L = T_эW˙ I ˙ R,
U_R = I ˙ R.

Выполнив некоторые преобразования и решив совместно приведенные выше уравнения, получим
g(α) ++, из которого следует
Знак минус перед квадратным корнем соответствует участку неустойчивого состояния на механической характеристике, поэтому в дальнейшем рассмотрении будем использовать перед квадратным корнем знак плюс. Положив α= 0, получаем
. Как видно из полученного решения, равенство α= 0 может быть обеспечено только при условии
₁, в противном случае угол α должен быть выбран минимальным по абсолютному значению. Угол β , удовлетворяющий указанному требованию, найдем исследовав на минимум функцию tg²(α ). Дифференцируя по β и приравнивая результат нулю, получим
.

Выполнив подстановку sin²( β) = 1 - cos²( β), можно преобразовать последнее соотношение к виду
cos⁴(β)+cos²(β)T2э

W2х -1+2·T2эW2х+T2эW2х = 0 , который представляет собой уравнение четвертой степени относительно cos(β ), решение которого подробно описано в (4). Следовательно, это уравнение может иметь четыре корня, поэтому из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наименьшему значению функции tg²( α), которое определяется как
, т.е. из нескольких локальных максимумов и минимумов tg²(α) выбирается глобальный минимум.

Таким образом, при изменении угла установки датчика положения ротора по законам, удовлетворяющим предложенным соотношениям, КПД вентильного электродвигателя постоянного тока будет наиболее высоким. Существенное отличие в предлагаемом способе управления состоит в том, что угол установки датчика положения ротора зависит как от напряжения питания СМ, так и от момента на ее валу.

Положительный эффект, обусловленный этим существенным отличием, по сравнению со способом-прототипом (2), заключается в повышении КПД вентильного электродвигателя постоянного тока.

Устройство, при помощи которого может быть реализован предлагаемый способ управления, содержит УП1, первый вход которого служит входом управления, на который поступает сигнал, определяющий амплитуду напряжения, подводимого к фазам якорной обмотки, а выходы, количество которых определяется числом фаз якорной обмотки, через УМ2 подключены к фазам якорной обмотки СМ3, на валу которой укреплены ДПР4 и ДМ5. Выход ДМ5 подключен к первому входу ПЗУ6, второй вход которого соединен с первым входом УП1, а выход подключен к первому входу АУ7, второй вход которого соединен с выходом ДПР4. Выход АУ7 через ПЗУ8 подключен к вторым входам УП1. Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. Угол ϕ положения ротора СМ3 и момент М на ее валу преобразуются в коды при помощи ДПР4 и ДМ5, соответственно. Код момента и код сигнала управления поступают на двухвходовое ПЗУ6, в котором записаны значения кода угла β установки датчика положения ротора, которые при измеренном значении момента М и задаваемом сигналом управления напряжении U обеспечат наибольший КПД вентильного электродвигателя. Т.е. в ПЗУ6 записаны значения β , удовлетворяющие предлагаемым в изобретении закону и соотношению. Код угла β поступает на АУ7, которое осуществляет операцию рϕ+ β.

Таким образом, с выхода АУ7 на вход ПЗУ8 поступает код аргумента n гармонических функций, фазы которых сдвинуты на радиан. С выхода ПЗУ8 коды гармонических функций поступают на УП1, где они перемножаются с кодом сигнала управления. Выходные сигналы УП1 усиливаются УМ2 и подаются на фазы якорной обмотки СМ3.

Следовательно, одновременно с изменением напряжения, подаваемого на фазы якорной обмотки в функции угла ϕ положения ротора и угла β установки датчика положения ротора, изменяется и сам угол β в функции момента М на валу СМ3 и напряжения питания U таким образом, что КПД вентильного электродвигателя постоянного тока является максимальным.

Использование: в электроприводах. Сущность: изменение угла установки датчика положения ротора синхронной машины осуществляется в зависимости от момента на валу ее ротора и амплитуды напряжения, подводимого к якорным обмоткам синхронной машины таким образом, чтобы магнитные поля, создаваемые ротором и якорными обмотками синхронной машины, являлись бы перпендикулярными. 2 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА с датчиком положения ротора на валу его синхронной машины, при котором измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанного измеренного параметра и угла установки датчика положения ротора по закону
U_i=Usin(pϕ+(i-1) +β)
и дополнительно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД вентильного электродвигателя постоянного тока измеряют момент на валу синхронной машины и указанное изменение угла установки датчика положения ротора осуществляют по закону
β=-arcsin +arctgT_эW
при 1
и по закону, удовлетворяющему соотношению
cos(β)sin(β)+T_эW_х=T_эW_хcos(β),
при 1
причем из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наименьшему значению выражения
+
+ ,
где U - напряжение питания синхронной машины;
p - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ - угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β - угол установки датчика положения ротора;
T_э=P - электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки;
W_х - скорость холостого хода синхронной машины при β=0 ;
M - момент на валу синхронной машины;
M_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины.