УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02P6/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах лентопротяжных механизмов звукозаписывающей аппаратуры.

Известен управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, первые выводы секций якорной обмотки которого объединены и подключены к общему выводу, однополупериодный преобразователь частоты, управляющие входы которого соединены с выходами системы управления, построенной на элементах датчика положения ротора, к выходам преобразователя частоты подключены вторые выводы секций якорной обмотки. Электродвигатель содержит также регулятор частоты вращения, сумматор напряжения, входы которого подключены ко вторым выводам секций якорной обмотки, а выход к первому входу регулятора частоты вращения, ко второму входу которого подключены выход задатчика частоты вращения, а выход регулятора частоты вращения подключен к управляющим входам преобразователя частоты (патент США N 4070606, кл. H 02 K 29/02, 1978).

В известном электроприводе обеспечивается регулирование частоты вращения с использованием в качестве сигнала обратной связи амплитудного значения ЭДС вращения. Такое регулирование возможно только при однополупериодном преобразователе частоты. В этом случае электродвигатель имеет низкие к.п.д. и коэффициент использования активных материалов (меди и магнита), а также большие массы и габариты.

Наиболее близким аналогом к изобретению является управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, первых выводы секций якорной обмотки которого объединены и подключены к общему выводу, преобразователь частоты, выходы которого подключены ко вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, систему управления, выполненную с возможностью поочередной коммутации ключей преобразователя частоты, многоканальный выход которой соединен с многоканальным управляющим входом преобразователя частоты, регулятор частоты вращения, задатчик частоты вращения, сумматор напряжения, входы которого подключены ко вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, а выход - к первому входу регулятора частоты вращения, ко второму входу которого подключен выход задатчика частоты вращения, а выход регулятора частоты вращения соединен с дополнительным управляющим входом преобразователя частоты (см. Патент США N 3924166, кл. H 02 K 29/02, 1975).

Этот электродвигатель обеспечивает регулирование или стабилизацию частоты вращения с использованием амплитудного значения ЭДС вращения, что возможно при использовании только однополупериодного преобразователя частоты. Преобразование электромеханической энергии у такого двигателя имеет не оптимальный характер, что приводит к худшим показателям по к.п.д. массе, габаритам, неоправданному увеличению стоимости электродвигателя из-за низкого использования активных материалов и большим пульсациям мгновенной частоты вращения.

Кроме того, этот электродвигатель построен на явно выраженном в конструктивном отношении датчике положения ротора, входящего в систему управления преобразователя частоты, что дополнительно увеличивает стоимость электродвигателя.

Технический результат данного изобретения заключается в снижении стоимости электродвигателя путем эффективного использования активных материалов, повышение равномерности частоты вращения и снижение детонации.

Указанный технический результат достигается тем, что в управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянном магните, первые выводы секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общим выводом, преобразователь частоты, выходы которого подключены ко вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, систему управления, выполненную с возможностью поочередной коммутации ключей преобразователя частоты, многоканальный выход которой соединен с многоканальным управляющим входом преобразователя частоты, регулятор частоты вращения, задатчик частоты вращения, сумматор напряжений, входы которого подключены ко вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, а выход к первому входу регулятора частоты вращения, ко второму входу которого подключен выход задатчика частоты вращения, а выход регулятора частоты вращения подключен к дополнительному управляющему входу преобразователя частоты, преобразователь частоты выполнен двухполупериодным и введены три датчика тока, каждый из которых включен в цепь соответствующей секции якорной обмотки, а регулятор частоты вращения снабжен третьим входом, подключенным к объединенным выходам датчика тока.

Указанное выполнение вентильного электродвигателя позволило обеспечить получение информации о частоте вращения при двухполупериодном выполнении преобразователя частоты путем вычисления ЭДС вращения в регуляторе частоты. Это привело к снижению стоимости, лучшему использованию активных материалов, а также к уменьшению пульсаций мгновенной частоты вращения и снижению детонаций.

Таким образом, данное изобретение удовлетворяет одному из условий патентоспособности новизне.

Из уровня техники не были обнаружены другие источники информации, в которых бы решалась аналогичная задача аналогичными средствами. Следовательно, данное изобретение удовлетворяет и другому условию патентоспособности - изобретательскому уровню.

На чертеже представлена электрическая схема управляемого вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель содержит электромеханический преобразователь 1 с индуктором 2 на постоянном магните, первые выходы секций 3, 4, 5 якорной обмотки которого объединены и соединены с общим выводом, преобразователь частоты 6, выходы которого подключены ко вторым выводам секций 3, 4, 5 якорной обмотки, систему 7 управления, выполненную с возможностью поочередной коммутации ключей преобразователя частоты, многоканальный выход которого подключен к многоканальному управляющему входу преобразователя частоты. Система управления включает в себя три компаратора 8, 9, 10, вход каждого из которых соединен со вторым выводом одной из секций 3, 4, 5 якорной обмотки, логический блок 11 формирования команд переключения ключей преобразователя частоты, к входам которого подключены выходы компараторов 8, 9, 10 соответственно, а выходы образуют многоканальный выход системы управления 7. Логический блок 11 выполнен на логических элементах ИЛИ 12. Ко вторым выводам секций 3, 4, 5 якорной обмотки подключены соответственно три входа сумматора 13 напряжений, выход которого соединен с первым входом регулятора 14 частоты вращения. Ко второму входу регулятора 14 частоты вращения подключен выход задатчика 15 частоты вращения, а выход регулятора 14 частоты вращения к дополнительному управляющему входу 16 преобразователя частоты, выполненному двухполупериодным.

Преобразователь частоты 14 составлен из управляемых ключей, например, транзисторов 17, 18, анодной и катодной групп, соединенных по мостовой двухполупериодной схеме. Дополнительный вход преобразователя частоты может быть образован, например, введением в одну из групп ключей, например, катодную, транзистора 19, шунтирующего базо-эмиттерным переходом базо-эмиттерный переход транзистора 18. Коллектор введенного транзистора 19 образует дополнительный управляющий вход преобразователя частоты.

Вентильный электродвигатель снабжен тремя датчиками тока 20, 21, 22, каждый из которых включен в цепь одной из секций якорной обмотки. Регулятор частоты вращения снабжен третьим входом, к которому подключены объединенные выходы указанных датчиков тока.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При включении питания срабатывают компараторы 7, 8, 9. Это приводит к появлению на выходе преобразователя частоты напряжения, под действием которого в секциях 3, 4, 5 якорной обмотки потечет ток. Взаимодействие электромагнитного поля и поля магнита индуктора 2 приведет к движению индуктора 2. При необходимости начальное движение индуктора можно программировать, задавая очередность первого срабатывания компараторов. При движении индуктора относительно секций 3, 4, 5 якорной обмотки в них наводится ЭДС вращения. Под действием этих ЭДС происходит очередное срабатывание компараторов. Задержка срабатывания компараторов может задаваться величиной угла опережения на заданной частоте вращения и реализуется путем введения RC-цепей по входу компараторов или любыми другими средствами, реализующими временную задержку электрического сигнала. Под действием сигналов компараторов происходит срабатывание логических элементов ИЛИ 12, сигналы которых поступают на многоканальный управляющий вход преобразователя частоты. Поочередное подключение ключей анодной и ключей катодной групп преобразователя частоты обеспечивает подключение секций якорной обмотки к источнику питания. Таким образом обеспечивается положительная обратная связь по положению, и двигатель работает в режиме вентильного электродвигателя.

Для управления электродвигателем используются обратная связь по ЭДС вращения. Величина ЭДС вращения определяется из формулы

где ε ЭДС вращения;
I ток в секциях якорной обмотки электродвигателя;
U напряжение, подаваемое на секции якорной обмотки электродвигателя;
R сопротивление секций якорной обмотки электродвигателя.

Из приведенной формулы следует, что:
e = U-IR
Пренебрегая падением напряжения на электронных ключах (у некоторых из них оно составляет 0,01 В) и токами, протекающими в базовых цепях транзисторов, можно при помощи реальных датчиков измерить напряжение и ток в секциях обмотки якоря электродвигателя и путем вычислений определить ЭДС вращения.

Датчики тока 29, 21, 22 включены по схеме токового зеркала. Ток на выходе каждого датчика пропорционален току в соответствующей секции 3, 4, 5 якорной обмотки. Напряжение на указанных секциях контролируется с помощью сумматора 13. Информация по напряжению и току поступает на первый и третий входы регулятора 14 частоты вращения. Вычисление сигнала управления на выходе регулятора происходит, например, на дифференциальном мосте, куда подается и сигнал задания частоты вращения, являющийся сигналом разбалансировки дифференциального моста. На выходе регулятора 14 частоты вращения формируется сигнал управления:
I_упр= f(U_з; ε)
I_упр=U_з-(U-IR)
Таким образом, если происходит увеличение момента нагрузки и частота вращения начинает снижаться, то возрастает ток электродвигателя и увеличивается ток управления. Это приведет к большому открытию ключей катодной группы преобразователя частоты и увеличению напряжения на двигателе, компенсирующего снижение частоты вращения. Дифференциальный мост регулятора 14 частоты вращения перейдет в новое динамическое состояние, соответствующее нагрузке. Аналогичным образом произойдет отработка уменьшения нагрузки на двигатель.

Реализация получения информации о частоте вращения вентильного электродвигателя путем вычисления ЭДС вращения позволяет использовать двухполупериодный преобразователь частоты, что дает возможность осуществить двухполупериодное преобразование электрической энергии, а, следовательно, позволяет уменьшить пульсации мгновенной частоты вращения, то есть повысить равномерность вращения и снизить детонацию. Кроме того, снижается объем активных материалов (меди и магнита), что приведет к снижению стоимости электродвигателя.

Использование в качестве регулирующего элемента ключей одной из групп преобразователя частоты повышает к.п.д. позволит равномерно загрузить по току электронные элементы двигателя. Особенно это важно при микроминиатюризации электронных узлов управляемого вентильного электродвигателя.

Использование: Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах лентопротяжных механизмов звукозаписывающей аппаратуры. Сущность: в управляемом вентильном электродвигателе преобразователь частоты выполнен двухполупериодным. К выходам преобразователя частоты подключены вторые выводы секций якорной обмотки электромеханического преобразователя с индуктором на постоянных магнитах. К многоканальному входу преобразователя частоты подключен многоканальный выход системы управления, выполненной с возможностью поочередной коммутацией ключей преобразователя частоты. Электродвигатель работает в режиме вентильного электродвигателя, поскольку в нем обеспечивается положительная обратная связь по положению. Управление двигателем осуществляется под действием обратной связи по э.д.с. вращения, определяемой в регуляторе частоты вращения путем вычисления по формуле ε = U-IR . Для этого в электродвигатель введены три датчика тока, включенные в цепи якорных обмоток. Выходы датчиков тока объединены и соединены с третьим входом регулятора частоты вращения. В результате в электродвигателе обеспечивается двухполупериодное преобразование, снижаются пульсация мгновенной частоты вращения, уменьшается объем активных материалов и стоимость. Снижается детонация. 1 ил.

Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, первые выводы секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общим выводом, преобразователь частоты, выходы которого подключены к вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, систему управления, выполненную с возможностью поочередной коммутации ключей преобразователя частоты, многоканальный выход которой соединен с многоканальным входом преобразователя частоты, регулятор частоты вращения, задатчик частоты вращения, сумматор напряжений, входы которого подключены к вторым выводам секций якорной обмотки соответственно, а выход к первому входу регулятора частоты вращения, к второму входу которого подключен выход задатчика частоты вращения, а выход регулятора частоты вращения подключен к дополнительному входу преобразователя частоты, отличающийся тем, что преобразователь частоты выполнен двухполупериодным, введены датчики тока, каждый из которых включен в цепь соответствующей секции якорной обмотки, а регулятор частоты вращения снабжен третьим входом, подключенным к объединенным выходам датчиков тока.