РЕГУЛИРУЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах с вентильными электродвигателями.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления которого подключен к выходу задатчика сигналов управления (авторское свидетельство СССР N 1283928, кл. H 02 P 6/02, 1987 г).

Недостатком этого электродвигателя является низкая надежность, т.к. при наличии нескольких не согласованных во времени управляющих сигналов, поступающих на ключи коммутатора (датчик положения ротора, задатчик сигналов управления, который может включать в себя регулятор тока, ШИМ- и модулятор, задатчик режимов "Пуск" и "Стоп" и т.д.), а также при наличии случайных помех на входе цепей управления коммутатора существует возможность прихода управляющего сигнала, например, на выключение силового ключа в момент, когда ключ находится в стадии открывания.

Такая последовательность управляющих сигналов может привести к выходу из строя ключа, т.к. он будет находиться в активном режиме недопустимо длительное время, за которое будет превышена предельно допустимая мощность, рассеиваемая транзистором ключа при нахождении в активном режиме.

Известен регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления которого подключен к выходу задатчика сигналов управления, причем по крайней мере один выход блока формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления соответствующего ключа коммутатора через регистр сдвига, информационный вход и выход которого подключены соответственно к выходу блока формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи управления соответствующего ключа, а тактирующий вход связан с выходом задающего генератора. (Авторское свидетельство СССР N 1711300, кл. H 02 K 29/06, 1992 г.).

Недостатком такого электродвигателя является сложность конструкции, повышенные массогабаритные показатели управляющей части электродвигателя.

Увеличение числа элементов управляющей части снижает надежность электродвигателя. Наличие одновибратора в каждом канале управления весьма неудобно, т. к. их времязадающие цепи обладают низкой надежностью и плохо поддаются миниатюризации, требуют индивидуальной настройки. Особенно это проявляется когда стремятся обеспечить регламентированное включение и защиту от помех всех ключей коммутатора в многофазном вентильном электродвигателе.

Технической задачей является упрощение конструкции, улучшение массогабаритных показателей и увеличение надежности путем исключения одновибраторов, обладающих низкой надежностью, плохо миниатюризируемых и требующих индивидуальной настройки, а также схем "Запрет".

Поставленная задача достигается тем, что в вентильном электродвигателе, содержащем электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления указанного блока подключен к выходу задатчика сигналов управления, причем, по крайней мере, один выход блока формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления соответствующего ключа коммутатора через по крайней мере одноразрядный регистр сдвига, информационный вход и выход которого подключены соответственно к выходу блока формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи управления соответствующего ключа, а тактирующий вход связан с выходом задающего генератора, дополнительно регистр сдвига выполнен, не менее чем двухразрядным, с тактирующим входом, непосредственно подключенным к выходу задающего генератора.

Сопоставительный анализ с прототипом, показывает, что заявляемое устройство отличается применением регистра сдвига не менее чем двухразрядного и тем, что выход задающего генератора непосредственно подключен к тактирующему входу регистра сдвига.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники не позволило выделить в них признака, отличающего заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Избирательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 временная диаграмма напряжений в узлах схемы фиг.1; на фиг.3 функциональная схема примера реализации электродвигателя с регистрами сдвига в каждом канале управления ключами коммутатора.

В качестве примера рассмотрим электродвигатель с трехфазной обмоткой и нереверсивным питанием секции обмотки якоря.

Вентильный регулируемый электродвигатель (фиг.1) содержит электрическую машину 1 с якорной обмоткой 2, подключенной к выходу 3 полупроводникового коммутатора 4, цепи управления 5-7 ключей которого соединены с выходом 8 датчика 9 положения ротора через блок 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход 11 управления которого подключен к выходу задатчика 12 сигналов управления, причем по крайней мере один выход 13 блока 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления 5 соответствующего ключа коммутатора через регистр сдвига 14, информационный вход 15 и выход 16 которого подключены соответственно к выходу 13 блока 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи 5 управления соответствующего ключа, а тактирующий вход 17 к выходу 18 задающего генератора 19.

Электрическая машина 1 может выполняться по типу синхронной, как с постоянными магнитами, так и с электромагнитным возбуждением.

Полупроводниковый коммутатора 4 может быть однополупериодным или двухполупериодным на полностью управляемых ключах, например, транзисторах, симисторах.

Задатчик 12 сигналов управления может представлять собой, например, импульсный регулятор тока, ШИМ-модулятор, задатчик режимов "Вправо", "Влево", задатчик режимов "Пуск" и "Стоп" или их комбинацию, а также как показано в авторском свидетельстве СССР N 1711300.

Датчик положения ротора 8 может выполняться по любой известной схеме, например, индуктивный с подмагничиванием или на элементах Холла.

Блок 10 формирования сигналов управления ключами коммутатора служит для формирования управляющих воздействий на ключи коммутатора в зависимости от информации, поступающей с датчика положения ротора и задатчика сигналов управления. Блок 10 может быть выполнен как показано в авторских свидетельствах N 1283928 и N 1711300.

Двухразрядный регистр 14 сдвига может представлять собой элементы памяти, например, два Д триггера, соединенных последовательно с объединенным тактирующим входом.

Регистр может быть как двухразрядным и одноканальными, так и более разрядным и многоканальным. Максимальное число каналов может быть равно числу ключей полупроводникового коммутатора.

На фиг.1 представлен двухразрядный одноканальный регистр сдвига, выходом 16 которого является выход второго (старшего) разpяда.

Генератор 19 импульсов может выполняться по любой известной схеме и по уровню выходных сигналов должен быть совместим с регистрами сдвига.

Частота задающего генератора выбирается из условия, чтобы
T_зг • N (6 ^oC 8) (T_вкл + T_выкл),
где: T_зг длительность периода задающего генератора;
N число разрядов регистра сдвига;
T_вкл, T_выкл длительность включения и выключения полупроводникового ключа соответственно.

Для случая фиг.1:
2T_зг (6 ^oC 8) (T_вкл + T_выкл)
Например, для мощных составляющих биполярных переключательных транзисторов, таких как 2М5-80-5-1, ТКД165-250-4 2ТКД155-40-6 могут достигать, соответственно, 2,5 мкс и 15 мкс.

T_зг (52,5 70) мкс
Вентильный электродвигатель работает следующим образом (см. фиг.2).

При работе электродвигателя на цепи 5-7 управления ключей коммутатора 4 через блок 10 поступают сигналы с датчика положения ротора 8 и задатчика 12 управляющих сигналов, например, импульсного регулятора тока. Возможно появление сигналов помех, наводимых в элементах связи перечисленных элементов вентильного электродвигателя, например, в условиях производственных цехов, транспортных средств и т.д. Перечисленные сигналы действуют несогласованно, носят случайный характер. Сигнал помехи может иметь длительность, соизмеримую с временем включения или выключения ключа. Поэтому интервалы времени между последовательными поступлениями сигналов управления на цепи управления ключей могут быть меньше времени включения и выключения ключа. Вследствие этого транзистор может находиться в активном режиме, что снижает надежность работы ключа.

Для исключения такого режима работы силового ключа с цепью управления 5, управляющие сигналы U₁₃ подаются через двухразрядный регистр сдвига 14 на указанную цепь управления 5 с тактовой частотой, определяемой задающим генератором 19.

Рассмотрим работу ключа с цепью управления 5, защищенного от помех и несогласованной подачи управляющих сигналов с датчика 8 положения ротора и с задатчика 12 управляющих сигналов. В момент времени t₁ (фиг.2) из блока 10 поступил сигнал U₁₃ на открытие ключа с цепью управления 5. В момент t₂ с приходом первого фронта импульса U₁₈ задающего генератора измененный сигнал U₁₃ поступает на выход первого разряда регистра сдвига, а в момент времени t₃ поступает на выход второго разряда регистра сдвига, который является выходом 16 регистра сдвига 14. Начиная с момента времени t₃ ключ с цепью управления 5 открыт. В момент времени t₄ управляющий сигнал U₁₃ исчезает на выходе 13 блока 10. С задержкой не более чем два периода задающего генератора эта информация поступает на цепь управления 5 и ключ закрывается в момент времени t₆.

Предположим, что в момент времени t₇ по сигналу с датчика положения ротора поступил сигнал на открытие ключа с цепью управления 5, а в момент времени t₉ задатчик 12 управляющих сигналов формирует на своем выходе сигнал об отключении электродвигателя от источников питания, например, в режиме "Стоп". Интервал времени между моментами t₇ и t₉ мал, и если ключ будет отрабатывать это управляющее воздействие, то не успев открыться, будет закрываться, попадая в активный режим работы недопустимо длительное время. Такое может произойти только с теми ключами, цепи 6 и 7 которых не защищены от подобных управляющих воздействий.

Для ключа с цепью управления 5 в момент времени t₈ вредная для ключа информация будет записана в первом разряде регистра сдвига, а в момент времени t₁₀ будет стерта, не поступив во второй разряд. Таким образом, опасный короткий импульс U₁₃ на цепь управления 5 ключом не пройдет. Аналогично будет отфильтрован и сигнал помехи. Наименьшая длительность управляющего сигнала на цепи 5 управления равна периоду запирающего генератора, который равен:
T_зг (3 ^oC 4) (T_вкл + T_выкл)
Мы рассмотрели случай, когда произведена защита только одной цепи управления ключом коммутатора 4. Аналогично может быть организована защита всех ключей коммутатора при использовании многоканального, по числу ключей, двухразрядного или более разрядного регистра сдвига. Тактирующие входы всех каналов работают синхронно. Пример реализации такого электродвигателя приведен на фиг.3.

Использование изобретения позволяет обеспечить надежность работы электродвигателя на уровне, обеспечиваемом прототипом, за счет регламентации порядка поступления управляющих и случайных помеховых сигналов на ключ, при котором исключается прерывание процесса включения или выключения указанного ключа. Прерывание процесса включения или выключения ключа вызывает нахождение коммутационного элемента в активном режиме недопустимо значительное время.

В заявляемом техническом решении полезный результат достигается меньшими схемотехническими затратами, чем в прототипе. Исключаются схемы "Запрет" и одновибраторы на каждую цепь управления, которые обладают низкой надежностью, увеличивают массогабаритные показатели управляющей части электродвигателя, требуют индивидуальной настройки.

Использование изобретения позволило упростить управляющую часть базового вентильного электродвигателя на основе коммутатора КВД60-270, улучшить ее массогабаритные показатели, исключить индивидуальную настройку времязадающих цепей одновибраторов, тем самым повысить надежность устройства. За счет исключения одновибраторов и логических схем "Запрет", массогабаритные показатели управляющей части вентильного электродвигателя улучшились на 12% а интенсивность отказов управляющей части базового электродвигателя снизилась с λ=0,792•10^-6 до l=0,708•10^-6.

Использование. В электроприводах с вентильными электродвигателями. Сущность: в регулируемом вентильном электродвигателе регистр сдвига 14, обеспечивающего связь блока 10 формирования сигналов управления с ключами полупроводникового коммутатора 4, управляемого по сигналам датчика 8 положения ротора вентильного электродвигателя выполнен не менее, чем двухразрядным. Тактирующий вход регистра сдвига 14 подключен к выходу задающего генератора 19. Такое выполнение регистра сдвига позволило упростить устройство за счет исключения ряда узлов из системы управления, улучшить малогабаритные показатели, исключить индивидуальную настройку каналов управления, то есть повысить надежность. 3 ил.

Регулируемый вентильный электродвигатель, содержащий задающий генератор, электрическую машину с якорной обмоткой, подключенной к выходу полупроводникового коммутатора, цепи управления ключей которого связаны с выходом датчика положения ротора через блок формирования сигналов управления ключами коммутатора, дополнительный вход управления указанного блока подключен к выходу датчиков сигналов управления, причем по крайней мере один выход блока формирования сигналов управления ключами коммутатора связан с цепью управления соответствующего ключа через регистр сдвига, информационный вход и выход которого подключены соответственно к выходу блока формирования сигналов управления ключами коммутатора и к цепи управления соответствующего ключа, отличающийся тем, что регистр сдвига выполнен не менее, чем двухразрядным, с тактирующим входом, подключенным к выходу задающего генератора.