УПРАВЛЯЕМЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H02P6/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводах лентопротяжных механизмов звукозаписывающих устройств.

Известен вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянном магните, первые выводы трех секций якорной обмотки которого объединены, двухполупериодный преобразователь частоты, выходами подключенный к вторым выводам секций якорной обмотки, логический блок управления, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора с двумя входами каждый, выходы которых соединены с входами логического блока управления [1]
Недостатком данного вентильного электродвигателя является уменьшение КПД при увеличении момента нагрузки, которое происходит вследствие изменения напряжения на двигателе, и нарушение в связи с этим симметричной работы компараторов. Происходит изменение угла опережения включения секций в режиме стабилизации частоты вращения при изменении нагрузки на двигатель, снижается ресурс двигателя.

Наиболее близким аналогом к изобретению является управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, первые выводы трех секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общей шиной вентильного электродвигателя, двухполупериодный преобразователь частоты, выходы которого соединены с вторыми выводами секций якорной обмотки, логический блок управления, выходами подключенный к управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора с двумя входами каждый, выходы которых подключены соответственно к входам логического блока управления. Вентильный электродвигатель содержит также три интегрирующие цепи. Первый вход i-го компаратора соединен с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, а выход с входом (i-1)-й интегрирующей цепи. Выход i-й интегрирующей цепи подключен к второму входу i-го компаратора, причем указанное подключение компараторов и интегрирующих цепей образует кольцевое соединение [2]
Недостаток указанного вентильного электродвигателя заключается в наличии смещения на выходах интегрирующих цепей относительно общего вывода, когда двигатель работает в режиме стабилизации частоты вращения, что приводит к разному порогу срабатывания компараторов от ЭДС вращения и, как следствие, к разным углам опережения включения секций при положительном и отрицательном участках ЭДС вращения. Несимметричная форма напряжения на секциях обмотки якоря приводит к появлению дополнительных пульсаций вращающего момента, увеличению детонации и, как следствие, к снижению эксплуатационных качеств вентильного электродвигателя.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных качеств двигателя, в частности увеличение его ресурса за счет снижения пульсаций вращающего момента.

Цель достигается тем, что в вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, одни выводы секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общей шиной вентильного электродвигателя, двухполупериодный преобразователь частоты, выходами соединенный с вторыми выводами секций якорной обмотки, логический блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора, первый вход i-го компаратора связан с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, второй вход - с выходом i-й интегрирующей цепи первой группы, а выход i-го компаратора подключен к соответствующему входу логического блока управления, преобразователь частоты выполнен в виде инвертора напряжения и снабжен дополнительным управляющим входом для подключения к источнику сигнала управления и введены три ограничителя напряжения и три интегрирующие цепи второй группы, причем выход i-го компаратора подключен к входу (i-1)-го ограничителя напряжения, выход которого соединен с входом (i-1)-й интегрирующей цепи первой группы, вход i-й интегрирующей цепи второй группы соединен с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, выход с первым входом i-го компаратора, а силовые выводы интегрирующих цепей второй группы соединены с общей шиной вентильного электродвигателя.

Введение ограничителя напряжения, второй группы интегрирующих цепей, выполнение преобразователя частоты в виде инвертора напряжения с дополнительным управляющим входом для подключения к источнику сигнала управления позволит повысить эксплуатационные качества двигателя за счет увеличения ресурса, снижения пульсаций вращающего момента и детонации. Таким образом, данное изобретение отвечает одному из условий патентоспособности - новизне.

Из уровня техники не были обнаружены источники информации, в которых бы использовались признаки отличительной части формулы изобретения с обеспечением того же технического результата, то есть выполнено и другое условие патентоспособности изобретательский уровень.

На фиг. 1 представлена функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг. 2 9 диаграммы напряжений на выходах функциональных узлов, поясняющих работу вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель содержит электромеханический преобразователь 1 с индуктором на постоянных магнитах 2 (фиг. 1). Первые выводы трех секций 3, 4, 5 якорной обмотки электромеханического преобразователя объединены и соединены с общей шиной вентильного электродвигателя. Вторые выводы указанных секций подключены к выходу двухполупериодного преобразователя 6 частоты, выполненного в виде инвертора напряжения и снабженного дополнительным управляющим входом для подключения к источнику сигнала управления. Кроме того, второй вывод каждой из секций 3, 4, 5 якорной обмотки соединен с первым входом одноименного компаратора 7 (8, 9). Вентильный электродвигатель снабжен интегрирующими цепями 10, 11, 12 первой группы. Силовые выводы интегрирующих цепей соединены с общей шиной вентильного электродвигателя, а выход i-й интегрирующей цепи 11 (12, 10) соединен с вторым входом i-го компаратора 8 (9, 7), выход которого соединен с соответствующим входом логического блока управления 13, выходами подключенного к основным управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты. Логический блок управления выполнен на логических элементах ИЛИ и И.

В вентильный электродвигатель введены три ограничителя напряжения 14, 15, 16 и три интегрирующие цепи 17, 18, 19 второй группы, силовые выводы которых соединены с общей шиной вентильного электродвигателя. Выход i-й интегрирующей цепи 18 (19, 17) соединен с первым входом i-го компаратора 8 (9, 7). Выход i-го компаратора 8 (9, 7) соединен с входом (i-1)-го ограничителя напряжений 14 (15, 16), выходом подключенного к входу (i-1)-й интегрирующей цепи 10 (11, 12) первой группы.

Преобразователь частоты выполнен в виде трехфазного моста на транзисторах 20, 21. Цепи управления базовыми токами одной из групп транзисторов, например, катодной группы, объединены и образуют дополнительный управляющий вход преобразователя частоты для подачи сигнала управления.

Вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При подаче напряжения на выходах компараторов 7, 8, 9 устанавливаются произвольные значения выходного сигнала. Допустим, установилось напряжение, соответствующее моменту t₁ (фиг. 2). Под действием этого напряжения происходит изменение выходного напряжения на интегрирующих цепочках 10, 11, 12 (фиг. 3). После того как на выходе интегрирующей цепи 12 изменится полярность напряжения (момент t₂) компаратор 9 переключится. Это вызовет перезаряд интегратора 11. В момент времени t₃ переключится компаратор 8. Далее произойдет перезаряд интегрирующей цепи 10 и переключится компаратор 7. Этот процесс будет происходить периодически.

Допустим при включении на выходах всех компараторов устанавливаются одинаковые напряжения (момент t₁, фиг. 4). Интегрирующие цепи 10, 11, 12 начнут перезаряжаться в одном направлении. Допустим, на выходе интегратора 10 напряжение изменит знак (момент t₂) в первую очередь. Компаратор 7 переключится. Изменится знак заряда интегрирующей цепи 12. С момента t₂ (фиг. 4) процессы будут проходить аналогично, показанным на фиг. 2, 3 с момента t₄.

Таким образом, на выходах компараторов будут формироваться сигналы длительностью 180^o, смещенные относительно друг друга на 120^o независимо от их начального состояния. В соответствии с логикой работы устройства 13 на его выходе формируются сигналы управления ключами 20, 21 преобразователя частоты. Под действием этих сигналов будут происходить поочередные переключения ключей преобразователя частоты 6, что приведет к периодическому подключению секций 3, 4, 5 якорной обмотки к источнику питания.

В электромеханическом преобразователе наведется вращающееся электромагнитное поле. Под действием этого поля ротор двигателя начнет вращаться. Осуществится пуск электродвигателя в синхронном режиме.

В процессе вращения ротора в секциях 3, 4, 5 якорной обмотки будут наводится ЭДС вращения. Воздействуя по первому входу компараторов 7, 8, 9, ЭДС вращения будут ускорять моменты переключения компараторов и тем самым переводить двигатель на коммутацию по положению ротора, так как амплитуда перезаряда интегрирующих цепей 10, 11, 12 будет уменьшатся. На номинальной частоте напряжения U₁₀, U₁₁, U₁₂ на выходе интегрирующих цепей станут равны потенциалу первого вывода секций 3, 4, 5 якорной обмотки, так как интегрирующие цепи не будут успевать реагировать на частые изменения напряжений U₁₄, U₁₅, U₁₆ симметричных относительно общего вывода. Очередность взаимного переключения компараторов сохранится аналогичной показанной на фиг. 2, и будет определяться моментами перехода через "ноль" сигнала ЭДС вращения. Момент перехода на коммутацию по положению определяется соотношением чувствительности входов компараторов 7, 8, 9 и может происходить после первых дискретных изменений пространственного положения вектора поля. Угол опережения включения секций якорной обмотки может регулироваться с помощью временной задержки сигналов в прямом канале компараторов.

При максимальном управляющем сигнале ключи 20 катодной группы преобразователя частоты полностью открыты, как и ключи (транзистора) 21 анодной группы. На секции якорной обмотки передается все напряжение источника питания (фиг. 5). В момент, когда (i-1)-я секция 3 не подключена к источнику питания, на ней наведется ЭДС вращения. Если ротор неподвижен, ЭДС равна нулю и на указанной секции находится потенциал 1/2U_пит, так как она соединена с первыми выводами всех секций. На вход (i+1)-й интегрирующей цепи 12 подается напряжение с выхода (i-1)-го компаратора 7, ограниченное (i+1)-м ограничителем напряжения 16 (фиг. 6). Среднее значение напряжения на выходе (i+1)-й интегрирующей цепи 16 будет находиться на уровне потенциала первых выводов секций якорной обмотки, так как (i+1)-й ограничитель 16 симметрично ограничивает напряжение относительно этого потенциала.

Если двигатель работает в режиме стабилизации частоты вращения, то при уменьшении момента нагрузки уменьшается величина управляющего сигнала. Транзисторы 20 катодной группы частично закрываются и на секции якорной обмотки подается часть напряжения питания (фиг. 7). В этом случае потенциал первых выводов секций якорной обмотки не равен 1/2U_пит, а составляет U_пит-1/2U_оя. Ограничители напряжения обеспечивают симметрирование напряжения на входе интегральных цепей первой группы (фиг. 8). На выходе интегрирующих цепей среднее напряжение составит U_пит-1/2U_оя. При этом сохранится симметричное срабатывание компараторов относительно сигнала ЭДС вращения и при разных значениях тока управления сохранится одинаковый угол опережения включения секций якорной обмотки (фиг. 9).

Таким образом, наличие ограничителей напряжения и второй группы интегрирующих цепей, а также выполнение преобразователя частоты в виде инвертора напряжения с подключением его дополнительного управляющего входа к источнику сигнала управления позволит в режиме управления частотой вращения снизить пульсации электромагнитного момента, уменьшить детонацию, повысить ресурс электродвигателя.

Использование: в электроприводах лентопротяжных механизмов звукозаписывающих устройств. Сущность изобретения: управляемый вентильный электродвигатель содержит электромеханический преобразователь частоты с индуктором на постоянных магнитах 2 и якорной обмоткой, секции которой подключены к выходу преобразователя частоты, выполненному в виде инвертора напряжений, логический блок управления, компараторы, две группы интегрирующих цепей и ограничители напряжений. Интегрирующие цепи и ограничители напряжений обеспечивают формирование на выходе компараторов симметричных относительно сигнала ЭДС вращения сигналов длительностью 180^o и смещенных относительно друг друга на 120^o. Под действием этих сигналов логический блок обеспечивает поочередную коммутацию ключей анодной и катодной групп преобразователя частоты, периодически подключающих секции якорной обмотки к источнику питания. Осуществляется пуск электродвигателя в синхронном режиме. При вращении двигателя в секции якорной обмотки наводится ЭДС вращения, ускоряющая процессы переключения компараторов. Двигатель переводится в режим коммутации по положению. В режиме стабилизации частоты вращения в зависимости от нагрузки изменяют сигнал управления, подаваемый на дополнительный вход преобразователя частоты. Включение интеграторов на входы компараторов позволяет сохранить симметричное срабатывание компараторов при разных токах управления относительно сигнала ЭДС вращения. В результате снижаются пульсации электромагнитного момента, детонация и повышается ресурс электродвигателя. 9 ил.

Вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, одни выводы секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общей шиной вентильного электродвигателя, двухполупериодный преобразователь частоты, выходами соединенный с вторыми выводами секций якорной обмотки, логический блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора, первый вход i-го компаратора связан с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, второй вход с выходом i-й интегрирующей цепи первой группы, а выход i-го компаратора подключен к соответствующему входу логического блока управления, отличающийся тем, что преобразователь частоты выполнен в виде инвертора напряжения и снабжен дополнительным управляющим входом для подключения к источнику сигнала управления и введены три ограничителя напряжения и три интегрирующие цепи второй группы, причем выход i-го компаратора подключен к входу (i 1)-го ограничителя напряжения, выход которого соединен с входом (i 1)-й интегрирующей цепи первой группы, вход i-й интегрирующей цепи второй группы соединен с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, выход с первым входом i-го компаратора, а силовые выводы интегрирующих цепей второй группы с общей шиной вентильного электродвигателя.