ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02K33/08 H02P25/02 H02P27/04 H02P6/16 

Изобретение относится к электротехнике, а именно электроприводам переменного тока периодического движения, и может быть использовано при создании вибрационных электроприводов для перемешивания сыпучих, пастообразных и жидких веществ, в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа, вибрационных установках в горной промышленности, строительстве, машиностроении или сельском хозяйстве.

Известен электропривод колебательного движения [RU 2401503 C1, МПК Н02Р 25/02 (2006.01), опубл. 10.10.2010], содержащий источник питания, установленный на опору статор трехфазного электродвигателя, укомплектованный ротором с одной парой явно выраженных полюсов, упругий элемент, жестко связанный с опорой с одной стороны и ротором электродвигателя с другой стороны, фиксирующий ротор со статором в начальном положении, при котором продольная ось симметрии ротора совпадает с продольной осью симметрии электромагнитного поля. Одна фазная статорная обмотка электродвигателя, задающая начальное положение ротора и упругого элемента, последовательно включена началом обмотки с положительным полюсом источника питания, снабженного трехфазным мостовым выпрямителем, а концом подключена к соединенным началами двум другим фазным статорным обмоткам, концы каждой из которых через последовательно включенные диоды подключены к анодам тиристоров, соединенные катоды которых подключены к отрицательному полюсу источника питания и общему выходу генератора импульсов. Управляющие электроды тиристоров подключены к сигнальным выходам генератора импульсов, а аноды тиристоров соединены конденсатором.

Недостатками этого вентильного электропривода являются невозможность получения энергетически выгодного резонансного режима работы электропривода во всем диапазоне регулирования частоты колебаний из-за фиксированного значения упругого элемента (торсиона) и дополнительные динамические потери, связанные с наличием в электромагнитном моменте двигателя пульсаций, вызванных дискретным переключением управляющих тиристоров.

Известен электропривод колебательного движения [RU 107426 U1, МПК Н02Р 6/02 (2006.01), Н02Р 27/04 (2006.01), Н02K 33/04 (2006.01), опубл. 10.08.2011], содержащий двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, входы которого предназначены для подключения к фазам источника переменного тока соответственно, инвертор, выход которого соединен с выводами обмотки управления электродвигателя, функциональный цифроаналоговый преобразователь, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь разности частот в код, выход которого соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя, а первый вход связан с выходом преобразователя частоты. Фазосдвигающее звено подключено своим входом к фазам источника переменного тока, а выходом ко второму входу преобразователя разности частоты в код и к первому входу модулятора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, первый вход которого подключен к выходу датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя. Второй вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя. Второй вход второго сумматора подключен к задатчику позиционного усилия. Первый сумматор соединен своим выходом с входом инвертора, первым входом подключен к выходу преобразователя частоты, а вторым входом подключен к выходу модулятора. Упругий элемент соединен механически через датчик положения с валом электродвигателя. Этот электропривод выбран в качестве прототипа.

Однако, сам исполнительный двигатель (двухфазный электродвигатель) имеет при колебательном движении низкий кпд и работает при токах, значения которых соответствуют пусковым токам, что вызывает существенное нагревание обмоток двухфазного электродвигателя и, как следствие, к большим тепловым потерям и снижению общего кпд электропривода колебательного движения.

Задачей изобретения является улучшение энергетических показателей электропривода колебательного движения и обеспечение резонансного режима работы в широком частотном диапазоне регулирования частоты.

Поставленная задача решена за счет того, что вентильный электропривод колебательного движения, так же как в прототипе, содержит датчик положения, механически соединенный с валом двухфазного электродвигателя, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, источник переменного тока и сумматор, соединенный своим выходом с входом инвертора напряжения, выход которого подключен ко второй статорной обмотки двигателя.

Согласно изобретению в вентильный электропривод введены вентильный двигатель, выпрямитель, фильтр низкой частоты, задающий генератор и релейный элемент. Первая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока. Выход датчика положения соединен с входом релейного элемента, выход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Выход задающего генератора частоты колебаний соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.

Использование вентильного двигателя, выпрямителя, фильтра низкой частоты, задающего генератора и релейного элемента позволяет создать колебательный режим работы вентильного электропривода с регулируемыми выходными параметрами и поддерживать резонансный режим работы за счет регулирования собственной частоты, обеспечивая высокие энергетические показатели электропривода в целом.

На фиг. 1 представлена блок-схема вентильного электропривода колебательного движения.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы изменения координаты подвижного элемента вентильного двигателя χ(t) электромагнитного момента М_эм(t) и токов i₁(t), i₂(t) при запуске на частоту колебаний Ω предложенного вентильного электропривода.

Вентильный электропривод колебательного движения (фиг. 1) состоит из вентильного двигателя 1 со статорными обмотками 2 и 3, источника переменного тока 4 (ИПТ) частоты ω, выпрямителя 5 (В), фильтра низкой частоты 6 (ФНЧ), задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ), сумматора 8 (СМ), усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У), инвертора напряжения 10 (ИН), датчика положения 11 (ДП) и релейного элемента 12 (РЭ).

Статорная обмотка 2 вентильного двигателя 1 подключена к выходу фильтра низкой частоты 6 (ФНЧ), а статорная обмотка 3 - к выходу инвертора напряжения 10 (ИН), вход которого соединен с выходом сумматора 8 (СМ). Первый вход сумматора 8 (СМ) соединен с выходом задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ), а второй - с выходом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У), вход которого подключен к выходу релейного элемента 12 (РЭ), вход которого связан с выходом датчика положения 11 (ДП). Датчик положения 11 (ДП) механически соединен с выходным валом вентильного двигателя 1. Вход фильтра низкой частоты 6 (ФНЧ) подключен к выходу выпрямителя 5 (В), вход которого соединен с источником переменного тока 4 (ИПТ).

При технической реализации макетного образца заявляемого устройства задающий генератор частоты колебаний 7 (ЗГ) и сумматор 8 (СМ) реализованы на операционных усилителях серии 140 УД8. Выпрямитель 5 (В) выполнен по двухполупериодной схеме выпрямления на полупроводниковых диодах. Фильтр низкой частоты 6 (ФНЧ) выполнен по схеме Г-образного LC фильтра. В качестве инвертора напряжения 10 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами. Релейный элемент 12 (РЭ) выполнен по схеме компаратора на операционном усилителе К140УД6. Усилитель с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У) реализован на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981.

Вентильный электропривод колебательного движения работает следующим образом. Напряжение с выхода источника переменного тока 4 (ИПТ) частоты ω

U₄=U_m1sin(ω⋅t),

где U_m1 - амплитуда напряжения источника переменного тока частоты ω;

t - текущее значение времени,

поступает на вход двухполупериодного выпрямителя 5 (В), где оно сначала выпрямляется

,

а затем после сглаживания пульсаций на фильтре низкой частоты 6 (ФНЧ)

U₆=k₆U₅,

где k₆ - коэффициент передачи фильтра,

запитывает статорную обмотку 2 двухфазного вентильного двигателя 1.

Одновременно напряжение с выхода задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ)

U₇=U_m2sin(Ω⋅t),

где U_m2 - амплитуда напряжения источника переменного тока:

Ω - частота выходного напряжения задающего генератора,

поступает на первый вход сумматора 8 (СМ).

Датчик положения 11 (ДП) вырабатывает сигнал, пропорциональный закону движения подвижного элемента вентильного двигателя 1

χ=χ_msin(Ω⋅t+α),

где χm - амплитуда колебаний подвижного элемента вентильного двигателя; α - начальная фаза колебаний,

который поступает на релейный элемент 12 (РЭ). В результате, на выходе релейного элемента 12 (РЭ) формируется напряжение

U₁₂=k₁₂sign(χ),

где k₁₂ - коэффициент передачи релейного элемента 12 (РЭ).

Напряжение с выхода релейного элемента 12 (РЭ) подается на вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У), сформированное на выходе которого напряжение

U₉=k₉sign(χ),

где k₉ - коэффициент передачи усилителя с учетом коэффициента передачи релейного элемента k₁₂,

поступает на второй вход сумматора 8 (СМ). В результате на выходе сумматора 8 (СМ) формируется напряжение

U₈=U_m2sin(Ω⋅t)-k₉sign(χ).

Разностное напряжение с выхода сумматора 8 (СМ) поступает на управляющий вход инвертора напряжения 10 (ИН).

Инвертор напряжения 10 (ИН) усиливает входной сигнал по мощности и запитывает статорную обмотку 3 вентильного двигателя 1 напряжением

U₁₀=k₁₀[U_m2sin(Ω⋅t)-k₉sign(χ)],

где k₁₀ - коэффициент передачи инвертора напряжения.

В результате взаимодействия напряжений U₆ и U₁₀ в воздушном зазоре двигателя создается качающееся электромагнитное поле, и подвижный элемент вентильного двигателя начинает совершать колебательное движение.

Причем взаимодействие напряжений U₆ и U₁₀^'=k_l0[U_m2sin(Ω⋅t)] формирует колебательную составляющую электромагнитного поля, а взаимодействие напряжений U₆ и U₁₀^''=-k₁₀[k₉sign(χ)] формирует позиционное электромагнитное усилие.

Изменяя коэффициент передачи усилителя с регулируемым коэффициентом усиления 9 (У), регулируют величину позиционного электромагнитного усилия, тем самым настраивая для заданной частоты колебаний Ω резонансный режим работы, обеспечивая высокие энергетические показатели вентильного электропривода.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие, согласно предложенному устройству, законы изменения момента M(t), координаты χ(t) подвижного элемента вентильного двигателя 1 и токов обмоток 2 и 3 статора i₁ и i₂. Значения последних в установившемся режиме не превышают своих номинальных значений, что характеризует работу вентильного двигателя 1 с максимальным кпд.

Точность задания и поддержания частоты колебаний Ω определяются стабильностью задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ). Регулирование амплитуды колебаний χ_m осуществляется за счет изменения амплитуды выходного напряжения U_m2 инвертора напряжения 10 (ИН).

Кроме того, большинство выпускаемых промышленностью вентильных двигателей имеет в своей конструкции уже встроенные датчики положения, что существенно упрощает техническую реализацию вентильного электропривода колебательного движения по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании вибрационных электроприводов для перемешивания сыпучих, пастообразных и жидких веществ, в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа, вибрационных установках в горной промышленности, строительстве, машиностроении или сельском хозяйстве. Технический результат: улучшение энергетических показателей электропривода колебательного движения за счет формирования колебательного режима работы в вентильном электродвигателе с регулируемыми выходными параметрами движения и поддержания резонансного режима работы за счет управления собственной частотой. Вентильный электропривод колебательного движения содержит датчик положения, механически соединенный с валом двигателя, усилитель с регулируемым коэффициентом передачи, источник переменного тока и сумматор, соединенный своим выходом с входом инвертора напряжения, выход которого подключен ко второй статорной обмотки двигателя. Первая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока. Выход датчика положения соединен с входом релейного элемента, выход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Выход задающего генератора частоты колебаний соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. 2 ил.

Вентильный электропривод колебательного движения, содержащий датчик положения, механически соединенный с валом двухфазного электродвигателя, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, источник переменного тока и сумматор, соединенный своим выходом с входом инвертора напряжения, выход которого подключен ко второй статорной обмотке двигателя, отличающийся тем, что первая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока, выход датчика положения соединен с входом релейного элемента, выход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, выход задающего генератора частоты колебаний соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления.