ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК H02K33/04 H02P25/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприводам переменного тока периодического движения, и может быть использовано при создании вибрационных электроприводов сканирования, техники измерения, контроля и управления для перемешивания сыпучих, пастообразных и жидких веществ, а также в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа.

Известен электропривод колебательного движения [RU 2028026 С1, МПК 6 Н02Р 7/62, опубл. 27.01.1995], 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, преобразователь разности частоты в код, соединенный первым входом с источником переменного тока, а вторым - с выходом преобразователя частоты. Выход преобразователь разности частоты в код подключен к входу функционального цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу преобразователя частоты, а выход - к входу инвертора. Этот электропривод выбран в качестве прототипа.

Такой электропривод колебательного движения предназначен для компенсации ухода геометрической нейтрали колебаний при пуске или регулировании частоты колебаний, а не для ее регулирования в зависимости от требований технологического процесса. 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, приводит к большим тепловым потерям и снижению общего КПД электропривода колебательного движения.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей электропривода колебательного движения и улучшение его энергетических показателей.

Предложенный вентильный электропривод колебательного движения, так же как в прототипе, содержит двухфазный электродвигатель, источник переменного тока и инвертор напряжения, выход которого подключен к одной статорной обмотки двигателя.

Согласно изобретению в вентильный электропривод введены вентильный двигатель, выпрямитель, фильтр низкой частоты, задающий генератор, фазовращатель, сумматор, задатчик сдвига нейтрали колебания, преобразователь частота-напряжение и функциональный преобразователь. Другая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока. Вход инвертора напряжения подключен к выходу фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом задающего генератора, а второй вход - с выходом сумматора. Первый вход сумматора соединен с выходом функционального преобразователя. Второй вход сумматора подключен к задатчику сдвига нейтрали. Вход функционального преобразователя соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, вход которого подключен к выходу задающего генератора.

Использование вентильного двигателя, выпрямителя, фильтра низкой частоты, задающего генератора, сумматора, фазовращателя, преобразователя частота-напряжение и задатчика сдвига нейтрали позволяет обеспечить регулирование смещения нейтрали колебаний. Благодаря тому что вентильный двигатель работает в режиме вынужденных колебаний при номинальных значениях токов обмоток статора, обеспечиваются высокие энергетические показатели двигателя и, следовательно, электропривода в целом.

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

На фиг. 2 представлены временные диаграммы изменения координаты χ(t) подвижного элемента вентильного двигателя, где а) - при различных заданиях смещения нейтрали χ₀ колебаний χ(t)=ƒ(U₁₁) при Ω=const, б) - при различной частоте колебаний подвижного элемента двигателя χ(ƒ)=ƒ(Ω) при χ₀=const, 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), фазовращателя 9 (ФВР), инвертора напряжения 10 (ИН), задатчика сдвига нейтрали 11 (ЗС), преобразователя частота-напряжение 12 (ПЧН) и функционального преобразователя 13 (ФП).

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 фазовращателя 9 (ФВР). Первый вход фазовращателя 9 (ФВР) соединен с выходом задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ), а второй - с выходом сумматора 8 (СМ). Первый вход сумматора 8 (СМ) подключен к выходу функционального преобразователя 13, а второй вход связан с выходом задатчика сдвига нейтрали 11 (ЗС). Вход функционального преобразователя 13 (ФП) соединен с выходным преобразователя частота-напряжение 12 (ПЧН), вход которого связан с выходом задающего генератора частоты колебаний 7 (ЗГ). 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. Задатчик сдвига нейтрали 11 (ЗС) выполнен по схеме прецизионного регулируемого блока питания постоянного напряжения на основе стабилизатора компенсационного типа, обладающего малым коэффициентом пульсаций и высокой температурной стабильностью. Фазовращатель 9 (ФВР) реализован по схеме фазоопережающего звена на операционном усилителе К140УД6 с электронной перестройкой на транзисторе КП305Ж. Преобразователь частота-напряжение 12 (ПЧН) выполнен в виде частотного демодулятора на основе микросхемы КР1108ПП1. Функциональный преобразователь 13 (ФП) собран по схеме логарифмического усилителя на операционном усилителе К140УД8. 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.

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 4 (ИПТ) 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+α),

где U_m2 - амплитуда выходного напряжения задающего генератора 7 (ЗГ);

Ω - частота выходного напряжения задающего генератора;

α - начальная фаза напряжения,

поступает на первый вход фазовращателя 9 (ФВР) и на вход преобразователя частота-напряжение 12 (ПЧН).

С выхода преобразователя частота-напряжение 12 (ПЧН) снимается постоянное напряжение, пропорциональное по величине частоте задающего генератора 7 (ЗГ)

U₁₂=k₁₂Ω,

где k₁₂ - коэффициент передачи преобразователя частота-напряжение 12 (ПЧН).

Это напряжение поступает на вход функционального преобразователя 13 (ФП), где преобразуется в напряжение постоянного тока с функциональной зависимостью

где k₁₃ - коэффициент передачи функционального преобразователя.

Сформированное таким образом напряжение с выхода функционального преобразователя 13 (ФП) поступает на первый вход сумматора 8 (СМ), на второй вход которого поступает постоянное напряжение U₁₁ с выхода задатчика сдвига нейтрали 11 (ЗС). В результате на выходе сумматора 8 (СМ) формируется напряжение

которое поступает на второй управляющий вход фазовращателя 9 (ФВР).

Фазовращатель 9 (ФВР) осуществляет сдвиг начальной фазы напряжения α, поступающего с выхода задающего генератора 7 (ЗГ) в соответствии с алгоритмом

Напряжение с выхода фазовращателя 9 (ФВР)

U₉=k₉U_m2sin[Ω⋅t+α(Ω)],

где k₉ - коэффициент передачи фазовращателя 9 (ФВР),

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

U_l0=k₁₀k₉U_m2sin[Ω⋅t+α(Ω)],

где k₁₀ - коэффициент передачи инвертора напряжения 10 (ИН).

В результате взаимодействия напряжений U₆ и U₁₀ в воздушном зазоре двигателя создается качающееся электромагнитное поле и подвижный элемент вентильного двигателя начинает совершать колебательное движение. Подбором коэффициента k₁₃ при условии U₁₁=0 устанавливают начальное смещение нейтрали колебания для самой низкой частоты колебаний Ω.

В процессе работы регулирование смещения нейтрали колебания осуществляется за счет изменения напряжения, снимаемого с задатчика сдвига нейтрали 11 (ЗС), которое согласно заданному алгоритму α(Ω) не зависит от частоты колебаний подвижного элемента вентильного двигателя.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие, согласно предложенному устройству, закон изменения координаты χ(t) подвижного элемента вентильного двигателя 1 при различных заданиях а) - смещения нейтрали колебаний χ(t)=ƒ(U₁₁) при Ω=const, б) - частоты колебаний подвижного элемента двигателя χ(t)=ƒ(Ω) при χ₀=const.

Так как значения фазных токов вентильного двигателя в установившемся режиме колебаний не превышают своих номинальных значений, то такой привод обладает более высокими энергетическими показателями по сравнению с электроприводом колебательного движения, выполненного на базе асинхронного двигателя, где последний работает при токах равных пусковым.

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 инвертора напряжения 10 (ИН).

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электроприводам переменного тока периодического движения, и может быть использовано при создании вибрационных электроприводов сканирования, техники измерения, контроля и управления, для перемешивания сыпучих, пастообразных и жидких веществ, а также в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей электропривода колебательного движения и улучшение его энергетических показателей. Вентильный электропривод колебательного движения содержит двухфазный электродвигатель, источник переменного тока и инвертор напряжения, выход которого подключен к одной статорной обмотки двигателя. Другая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока. Вход инвертора напряжения подключен к выходу фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом задающего генератора, а второй вход - с выходом сумматора. Первый вход сумматора соединен с выходом функционального преобразователя. Второй вход сумматора подключен к задатчику сдвига нейтрали. Вход функционального преобразователя соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, вход которого подключен к выходу задающего генератора. Расширение функциональных возможностей достигается за счет регулирования положения нейтрали колебаний в заданном частотном диапазоне колебаний, а улучшение его энергетических показателей - за счет использования в качестве исполнительной машины в электроприводе вентильного двигателя. 2 ил.

Вентильный электропривод колебательного движения, содержащий двухфазный электродвигатель, источник переменного тока и инвертор напряжения, выход которого подключен к одной статорной обмотки двигателя, отличающийся тем, что другая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока, вход инвертора напряжения подключен к выходу фазовращателя, первый вход которого соединен с выходом задающего генератора, а второй вход - с выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом функционального преобразователя, второй вход сумматора подключен к задатчику сдвига нейтрали, вход функционального преобразователя соединен с выходом преобразователя частота-напряжение, вход которого подключен к выходу задающего генератора.