СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1994 года по МПК H02P7/00 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в исполнительных устройствах систем управления технологическими процессами.

Известен способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний, включающий питание одной обмотки статора и одной обмотки ротора переменным током с частотой, равной частоте питания двигателя, а другой обмотки статора и другой обмотки ротора переменным током другой частоты [1].

При управлении синхронным двигателем по известному способу синусоидальные управляющие напряжения в воздушном зазоре создают два синфазно направленных колебательных электромагнитных поля. В результате согласного взаимодействия электромагнитных полей статора и ротора подвижный элемент двигателя совершает синхронные с частотой колебания магнитного поля статора колебательного движения.

Известно, что КПД колебательного электропривода достигает максимального значения при резонансном режиме его работы. Однако в известном способе поддержание резонансного режима работы привода при изменениях параметров нагрузки не предусматривается. Следовательно, недостаток известного способа - низкий КПД при изменениях нагрузки.

Известен также способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний, включающий питание обмотки статора переменным током [2]. В соответствии с этим способом якорь двигателя, состоящий из постоянного магнита с полюсным наконечником и установленный в начальное нейтральное положение с помощью механических пружин, совершает колебания под действием магнитного поля, создаваемого переменным током в обмотке статора.

Такой способ управления синхронным двигателем не обеспечивает высокого КПД, поскольку режим работы находится в зависимости от параметров механической нагрузки. Жесткость механических пружин постоянна и не позволяет регулировать режим работы двигателя с целью поддержания резонанса. Следовательно, недостаток известного способа управления синхронным двигателем в режиме колебаний - низкий КПД.

Наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний, включающий питание одной из обмоток статора постоянным током, а другой - переменным [3]. При таком способе ротор синхронного двигателя с постоянными магнитами совершает колебательное движение под действием сигналов переменного тока, подаваемых в одну или две обмотки статора. Так как параметры колебательного движения зависят от параметров механической нагрузки двигателя, то КПД двигателя является переменным. Наилучшим с энергетической точки зрения режимом работы колебательного привода является резонансный.

Однако в известном способе поддержание этого режима не предусматривается. Поэтому при изменениях нагрузки двигателя известный способ не обеспечивает высокого КПД. Таким образом, недостаток известного способа управления синхронным двигателем в режиме колебаний - низкий КПД при изменениях параметров механической нагрузки.

Цель изобретения - повышение КПД путем обеспечения резонансного режима работы синхронного двигателя при изменениях параметров нагрузки.

Цель достигается тем, что по способу управления синхронным двигателем в режиме колебаний, включающему питание одной из обмоток статора постоянным током, а другой - переменным, дополнительно измеряют переменные напряжения и ток второй обмотки и устанавливают величину постоянного тока в первой обмотке такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонансном режиме.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки: измеряют напряжение и ток второй обмотки, устанавливают величину постоянного тока в первой обмотке такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонансном режиме. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации изобретения повышается КПД синхронного двигателя путем обеспечения резонансного режима работы. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники и электропривода. Операции измерения напряжения и тока второй обмотки и установления величины постоянного тока такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонансном режиме в известных способах аналогичного назначения, не обнаружены. Следовательно, известное техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена функциональная схема реализации способа; на фиг.2 - структурная схема механической части синхронного двигателя в режиме колебаний; на фиг.3 приведены экспериментальные зависимости амплитуды колебаний ротора от частоты переменного тока во второй обмотке при различных значениях величины постоянного тока в первой обмотке статора.

На схеме (фиг.1) 1 - регулируемый источник постоянного тока, 2 - источник переменного тока, 3 и 6 - первая и вторая обмотки статора синхронного двигателя, 4 - датчик тока, 5 - ротор синхронного двигателя, 7 - датчик напряжения, 8 - блок определения резонанса. Первая обмотка 3 статора синхронного двигателя подключена к регулируемому источнику 1 постоянного тока, вторая обмотка 6 - к источнику 2 переменного тока. Последовательно с второй обмоткой 6 включен датчик тока 4, параллельно с второй обмоткой 6 соединен датчик 7 напряжения. Выходы датчика 4 тока и датчика 7 напряжения подключены к входам блока 8 определения резонанса, выход которого подключен к управляющему входу источника 1 постоянного тока.

Постоянные магниты, расположенные на роторе 5 двигателя, создают намагничивающий поток Φ_о. При подключении первой обмотки 3 статора двигателя к источнику 1 постоянного тока по ней протекает ток I_о. В результате взаимодействия обмотки 3 с током I_о и магнитного поля Φ_оротор 5 синхронного двигателя поворачивается и занимает нейтральное положение, соответствующее минимуму энергии электромеханической системы. При повороте ротора 5 относительно этого нейтрального положения на угол α на него действует момент
M_в = k I_o Φ_o sin α , (1) где k - коэффициент пропорциональности, стремящийся вернуть ротор в исходное положение. Следовательно, первая обмотка 3, подключенная к источнику 1 постоянного тока, выполняет функцию электрической пружины, жесткость которой, как следует из уравнения (1), пропорциональная постоянному току I_о.

Переменный ток во второй обмотке 6 статора синхронного двигателя создает переменный магнитный поток, под действием которого ротор 5 совершает колебательное движение относительно нейтрального положения. Частота колебаний при этом определяется частотой переменного тока во второй обмотке 6. Амплитуда колебаний зависит от параметров двигателя, величины питающего переменного тока, жесткости электрической пружины и момента инерции механической нагрузки. Наилучший режим работы такой системы резонансный. В этом режиме активный ток в обмотке 6 минимален, а амплитуда колебаний ротора максимальна. С целью контроля резонансного режима с помощью датчика 4 тока измеряется переменный ток, а с помощью датчика 7 напряжения - переменное напряжение, приложенное к второй обмотке 6. Сигналы с выходов датчиков тока 4 и напряжения 7 поступают на входы блока 8 определения резонанса, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное отклонению параметра, характеризующего режим колебаний, от значения, соответствующего резонансу. В качестве таких параметров могут использоваться различные физические величины, например фазовый сдвиг между током и напряжением, минимум активного тока и др. (см., например, Кораблев С.С., Шапин В.И., Филатов Ю.Е. Вибродиагностика в прецизионном приборостроении. - Л.: Машиностроение, 1984, с. 64-81). Сигнал с выхода блока 8 определения резонанса поступает на управляющий вход регулируемого источника 1 постоянного тока, в результате чего происходит уменьшение или увеличение постоянного тока I_ов первой обмотке 3 синхронного двигателя. За счет действия обратной связи в обмотке устанавливается постоянный ток такой величины, при которой в обмотке 6 переменного тока имеет место резонанс. При изменении момента инерции нагрузки изменяется резонансная частота системы. Это приводит к изменению выходного сигнала блока 8 определения резонанса и, следовательно, изменению тока I_о в первой обмотке 3, благодаря чему восстанавливается резонансный режим колебаний. Таким образом, при любых изменениях параметров механической нагрузки поддерживается резонансный режим колебаний ротора синхронного двигателя и, следовательно, поддерживается максимальный КПД.

С целью аналитического подтверждения способа регулирования резонансного режима колебаний синхронного двигателя рассмотрим математическую модель механической части колебательной системы. Такая модель в виде структурной схемы показана на фиг.2, где М - электромагнитный момент, развиваемый двигателем; J - момент инерции колеблющейся части; β- коэффициент пропорциональности между моментом сопротивления среды и скоростью Ω колебаний, отражающий вязкое трение в механической системе, например, смазки; Ω - скорость колебаний; α - угол поворота ротора; Φ_о - магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами ротора; I_о - ток в обмотке 3 статора; k - коэффициент пропорциональности, характеризующий зависимость синхронизирующего момента M_c = k I_o Φ_o sinα от угла поворота α ; S - оператор Лапласа.

При малых значениях α можно принять sin α ≈ α . В этом случае передаточная функция механической части системы по углу поворота α относительно электромагнитного момента имеет вид
(S · =
(2) где K_o = -коэффициент передачи;
T_э = - эквивалентная постоянная времени;
ζ = - параметр затухания.

Из выражения (2) следует, что механическая часть синхронного двигателя представляет собой в динамическом отношении колебательное звено с постоянной времени Т_э и параметром затухания ζ . Резонансная частота этого звена (см. например, Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования и управления. - М.: Наука, 1972, с.74-79) равна ω_p = = . (3)
Из уравнения (3) следует, что двигатель работает в колебательном режиме с максимальным КПД в том случае, если частота питающего напряжения, приложенного к обмотке 6, совпадает с резонансной частотой ω_р . В процессе работы происходят изменения момента инерции J колеблющейся части, а также коэффициента β , характеризующего трение. В результате изменяется резонансная частота ω_р, что может привести к снижению КПД. Однако регулирование тока Iо в обмотке 3 дает возможность скомпенсировать эти изменения резонансной частоты и обеспечить ее постоянство, т.е. равенство частоте питающего напряжения. Уравнение для тока I_о, при котором обеспечивается постоянство заданной резонансной частоты ω_р, легко вывести из выражения (3) и имеет вид
I_o= Jω2p

На фиг.3 приведены экспериментальные зависимости амплитуды α_мколебаний ротора от частоты, полученные при различных значениях постоянного тока I_о в обмотке синхронного двигателя типа 2ДВУ. Приведенные кривые подтверждают возможности регулирования резонансной частоты механической системы путем изменения постоянного тока в обмотке статора.

Таким образом, использование в известном способе управления синхронным двигателем в режиме колебаний, включающем питание одной из обмоток статора постоянным током, а другой - переменным, дополнительно измерения переменных напряжения и тока второй обмотки и установления величины постоянного тока в первой обмотке такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонансном режиме, позволяет повысить КПД двигателя.

Использование изобретения в исполнительных устройствах автоматических систем управления технологическими процессами с колебательным движением регулирующего органа позволит повысить эффективность их работы и уменьшить потери электроэнергии.

Использование: в исполнительных устройствах систем управления технологическими процессами. Сущность: способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний, возникающих при питании одной обмотки статора постоянным, а другой - переменным током, заключается в том, что измеряют переменные напряжения и ток, по которым оценивают резонанс во второй обмотке, и изменяют величину постоянного тока так, чтобы электрические колебания во второй обмотке находились в резонансном режиме. 3 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ КОЛЕБАНИЙ, вклющающий питание одной из обмоток статора постоянным током, а другой - переменным, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем обеспечения резонансного режима работы при изменениях параметров нагрузки, измеряют переменные напряжения и ток второй обмотки, по которым оценивают отклонение режима от резонанса, и устанавливают величину постоянного тока в первой обмотке такой, при которой электрические колебания во второй обмотке находятся в резонанасном режиме.