Стабилизированный вентильный электродвигатель Советский патент 1983 года по МПК H02K29/02 

2. Электродвигатель по п. 1, о т - л и ч а ю щ и и с я тем, что линейвйй расширитель импульсов выполнен в виде операционного усилителя, цепь отрицательной обратной связи которого содержит цепочку из параллельно соединензных

конденсатора и первого диода, соединенную последовательно со вторым диодом, общая точка первого и второго диодов соединена через третий диод,а неинвертирук тций вход операционного усилителя через резистор- с источникомпостоянпого напряжения.

1. СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с охоткой 51коря, фазы которой подключены к выходу полупроводниковоШо коммутатора, .управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и усилитель с цепью питания положения ротора, образуя схему отрицательной обратной связи, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, усилитель, вьшолнен в виде линейного расщирителя импульсов. 8

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальньтм электрическим машинам, и может использоваться в разработках систем стабилизированного по частоте вращения бесконтактного электропривода с источником электроэнергии постоянного тока.

Известны с-габилизированные вентильные электродвигатели (ВД), Снабженные эталонным задающим генератором и логическим устройством. В этом устройств ве двигатель вращается синхронно с частотой задающего генератора, а при воз/гайстзии возмущающих факторов логичес

кая часть устройства осуществляет широтно-импульсное регулирование напряжеЦ

.нкя на якорной обмотке в функции фазового рассогласования ГЗ-1

Реализация высокой точности стабилизации частоты вращения достигнута за счет применения прецизионного задающего генератора, что ведет к существенному усложнению ВД, увеличению его габаритов и стоимости.

Наиболее близким по технической сущнрсти и решаемой задаче к изобретению является стабилизированный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к выходу полупроводйикового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переjvjeHHoro тока, связанное через компаратори усилитель сцепью питания датчика положения ротора, (ДПР) образуя схему отрицательной обратной связи 12 .

ВД обладает высокой надежностью, достаточно прост в исполнении, но имеет невьюокую точность стабилизации, ввиду наличия в управлякндем органе щшу 5роводникового выпрямителя и RCфяпьтра, параметры которых изменяются

в широких пределах при колебаниях тем|пературы окружающей среды.

Цель изобретения - повьпиенне точности стабилизации частоты вращения ВД.

Эта цель достигается тем, что в стайшизированном вентильном электродвигателе, содержащем ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к выходу полупроводникового коммутатора,

управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, задатчик частоты вращения, тахометрическое устройство переменного тока, связанное через компаратор и уси- ;

литель с цепью питания датчика положения роочэра, образуя схему отрицательной обратной связи, усилитель выполнен в виде линейного расширителя импульсов. При этом линейный расширитель импульсов может быть вьшолнен в виде операционного усилителя, цепь отрицательной обратной связи которого содержит, цепочку из параллельно соединенных конденсатора и первого диода, соединенную

последовательно Со вторым диодом, общая точка первого и второго диодов соединена через третий диод, а неинвертирующий вход операционного усшштеля через резистор - с источником постоянного напряжения.

На фиг. 1 .представлена пршщипиальяая схема стабилизированного ВД; на кг, 2 - временные диаграммы работы его ; элементов, где Оу - управляющее напряжение, 6 - противоЭДС, наводимая в секции якорной , U7 - входное напряжение, компаратора, и - напряжение на выходе первого усилителя временной задержки, Ug - выходное напряжение времевной задержки, U - напряжение на якорной обмотке электрической машины.

Источник 1 питания постоянного тока, электрическая машина 2 синхронного тиita, о магнитоэлектрическим шздутстором 3 коммутатор 4, фотоэлектрический датчик 5 положения ротора ДПР, источник 6 управляющего напряжения, компаратор 7, временная задержка 8, бесконтактный ключ 9... Стабилизированный ВД представляет собюй электромеханическое устройство, состоящее из обычного ВД и стабилиза- тора частоты. Для определенности изложен приншша работы устройства рассматривается трехфазный ВД, содержащий электрическую машину 2 синхронного типа, с вращающимся индуктором 3 и якорной о€ моткой на статоре, бесконтактный коммутатор 4 и фотоэлектрический ДПР Фазы А, В, С якорной охотки соединены в трехлучевую звезду и подключены между полюсом источника 1 питания и выходами транзисторных ключей 10-12, коммутатора 4. Фотоэлектрический ДПР состоит из. трех чувствительных элементов 13-15 и диска с.прорезями. Диск насаживается на вал электрической маши ны, а светодиод и фотодиод, образующие чувствительный элемент, закрепляются относительно статора с разных сторон диска на уровне прорези. Чувствительные элементы 13-15 расположеньт по окружности через геометрических градусов друг относительно друга. Число прорезрй на диске равно числу пар полюсов f) индуктора. Ширина прорези равна Д геометрических градусов, здесь YY - чис фаз электрической машины. Светодиоды соединены последовательн ив проводящем направлении подключены к полюсу Источника питания через бескон тактный ключ 9. Фотодиод чувствительного элемента, например 14, включен между полюсом источника питания и BXcJi дом транзисторного ключа 11 в запирающем направлении. Стабилизатор частоты вращения cocTo ит из соединенных последовательно компа ратора 7 напряжения, временной задержки 8 и бесконтактного ключа 9. В устройстве использованы схемы компаратора и временной задержки, представляющие собой линейный расширитель импульсов, построенные на операционных усилителях. Компаратор выполнен на одном усилителе с разомЬнутой обратной связью. Времен- ная задержка - на двух усилителях 16 и 17, соединенных последовательно. Пер вьй усилитель 16 охвачен нелинейной обратной отрицательной св51зью, образоiOu ванной тремя диода и 18-2 О и конденсатором 21. Два диода 18 и 19 соединены последовательно-согласно и подключены между выходом и входом усилителя в проводящем направлении. Общая точка диодов соединена с точкой усилите- ля через третий диод 2О не выходом усилителя через конденсатор. Второй усилитель исполь ется с разомкнутой .обрати. ной связью и вьшолняет функииЕ ицпнка- тора полярности напряжения. Бесконтактный ключ выполнен на сдаЬм транзисторе проводимости р Л р вкпюче1шом по схеме с общим эмиттером. Входная цепь транзистора соединена с выходом врем енной задержки через токо- ограничительный резистор, а выходная - с последовательно соединенными свето- диодами через балластный резистор 22. Прямой вход компаратора подключен к секции якорной обмотки (фазе C)i а 1Шч вертирующий вход - к упра&т .ляюшего напряжения 6. Питание усилителей может быть осуществлено от- вспомогательного источника постоянного тока или преобрс зователя напряжения. Стабилизировашпый ВД работает еле-, дующим образом. При включении устройства к 1швертйрующему входу компаратора прикладывается управляющее напряжение положительной полярности. Потенциал напряжения . на прямом входе компаратора равен нулю. Напряжение отрииательн ой полярности с вькода KoMnapaTojja подается на вход временной задержки и с небольшим запаздыванием появляется на выходе последней. Выходным сигналом временной задержки открывается бесконтактный ключ. Через открытый бесконтактный ключ светодиоды чувствительных элементов ДПР подключаются к источнику питания. Величина тока, протекающего черва светодиод, ограничивается балластаым резистором 22. Излучаемый светодиода и поток инфракрасного излучения через прорезь в диске облучает один из фотодиодов, например, чувствительный элемент 15, в зависимости от исходного положения ротора ВД. Сопротявленяе светодиода резко уменьшается , и п{х текающим через него током открывается транзисторный ключ 11 коммутатора. Фаза В 51корной обмотки подклк1чаетоя k источнику питания. В ней протекает так, который взаимодействуя с полем индуктора, приводит ротор ВД во вращатель 1ное двюкеине, В процессе вращения ВД светодиоды поочередно фотодиоды чувствительных элементов 13-15 за счет поворота, сочлене1шого с валом электрической машины риска с прорезью Происходит соответствующее переключен транзисторных ключей коммутатора, обес печивающих подключение секций якорной обмотки к источнику питания. Положение чувствительных элементов ДПР относительно статора электрической машины регулируют таким образом, чтобы при включении секции в рабочее состояние {развиваемый ее вращающий момент стал .максимальным. Под воздействием вращающего момен,та ВД разгоняется. В фазе С якорной обмотки наводится синусоидальная противоЭДС, которая прикладывается к прямому входу компаратора. До тех пор, пока амплитуда противоЭДС меньше величины управляющего напряжения, синхронизатор частоты вращения будет находиться в исходном состо5шии. При достижении заданной частоты вращения ВД амплитуда положительной полярности противоЭДС сравнивается и начинает превышать по величине уровень управляющего напряжения. В моменты превышения упра ляющего напряжения между входами компаратора изменяется полярность напряжения. Компаратор переключается и ко вход временной задержки прикладывается запускакмций сигнал положительной полярности. Под действием запускающего сигн ла происходит заряд конденсатора 21 временной задержки по цепи: выход усилителя 16, конденсатор 21 и диод 20. Ток заряда li конденсатора ограничивает ся выходным сопротивлением R ft. | усилителя 16. В момент заряда конденсатора напряжение на выходах усилителей измен ет свой знак, что приводит к запиранию бесконтактного ключа и отключению ВД от источника питания (светодиоды обесточиваются, транзисторные ключи коммутатора закрьгоаются). По окончании процесса превышения компаратор переключается в исходное состояние, а временная задержка осуществляет запаздывание включения бесконтактного ключа. У временной задержки заряд конденсатора 21 сменяется разрядом, который происходит в режима интегрирова)тя усилителя 16. Продолжительность разряда конденсатора 21 (длительность запаздьтания временной задерхжи) определяется отношением накопленного заряда О конденсатора к .его разрядному току ip . По истечении 606 задержки включается бесконтактный ключ и ВД подключается к источнику питания. В следующий период частоты вращения поля индуктора вновь происходит аналогичный процесс, отличающийся Л1Ш1ь тем, что за счет еще продолжающегося разгона ВД увеличивается амплитуда противоЭДС и длительность превьш1ения ее над управляющим напряжением, что ведет к увеличению длительности временной задержки и длительности обесточивания секции якорной обмотки. Количественно этот процесс можно выразить следующим соотношением. Длительность разр.яда конденсатора 21 временной задержки равна. UR где-Ь - длительность превьйцения гциплитуды противоЭДС над управляющим напряжением; - напряжение источника питания усилителей. Длительность отключения to ВД от источника питания слагается из длительностей заряда Са и разряда t р конденсатора 21. RBX , t«4l.ri..,Lp-bt Г Описьшаемый процесс является периодической функцией частоты вращения поля индуктора Т . поэтому в относительных единицах данное соотношение примет вид r-(i.,) вых/ Величина Q называется скважностью широтно-импульсной модуляции напряжения на якорной обмотке и отображает процесс регулирования питающего ВД напряжения при стабилизации частоты вращения. В процессе увеличения длительности отключения ВД его вращающий момент меньшается и наступает равновесие веичины вращающего момента с моментом нагрузки, при Котором ротор электричесой, машины вращается с постоянной частотой, равной заданной. При колебаниях еличины нагрузки или напряжения источика питания ВД происходит незначительое изменение частоты вращения и амплиуды противоЭДС, которое вызьтает реулирование скважност т напряжения на корной обмотке, компенсирующее возействие возмущаюп.их факторов.

Устройство обеспечивает вькокую точность стабилизации часто-пн вращения ВД за счет возможности реал зашга высокого коэффициента усиления К в контуре широтнр-импульсного, регулирования напряжения, 5 определяемого кратнос-гыб входного сопротивления к-его выходнодлу

: . , ,.

SBWX

Для реально ;дрсти)кимрго в устройстве

коэффициента усиления () откло-. нение частоты вращения ВД . OT ioсительной заданной при колебаниях нагрузки от холостого хода.до номинальной .составляет величш1у; меньшую одной десятой процента:

i. Х

fn т Г ОИЧ , л 6) % 0,1 %,. . I 1 . .... . 20

Кроме того, устройство, слабо подвержено влиянию температуры окружающей среды, ввиду подключения контролируемой цепи (секции ясорной обмотки) .непосред- ,. ственно ко входу компаратора. В извёст - . ных аналогичных устройствах в этой цеш включены полупроводниковый выпрямитель, и .дс -фильтр, обладающие невысокой температурной. стабильностью...

Бьютродействие контура стабилизаггаи ВД опре|1еляется велкч1Ь1ой задания частоты вращения, ввиду дискретности измерения контролируемой частоты вращения (противоЭДС ceKuim). При необход 1мости быстродействие устройства может &1ть повышено путем Применения компаратс юв подключения их к m CGKHHSIX якорной обмотки или за счет использования в качестве датчика частоты вращения многополюсного тахогенератрра перемен- ного тока. Стабилизированный ДД пеле сообразно использовать в качестве гидро- двигателя силовых гироскопов, применяемых в космонавтике для ориентации спут НИКОВ н станций. Достигнутая высокоточная стабилизация частоты вращения ixyncHpa гидродвигателя позвлляет применить в этих аппаратах наиболее простую в конструктивном и схемном исполнении систему гидростабилиэатора на базе дэуэ двухстепенных силовых гидроскопах..

На1 ольщИй эффект ожидается от при- ме1нения устройства в электроприводах лентопротяжных механизмов аппаратуры 6s rroro применения, напргаиер в кассетных магнитофонах. За счет повышения стабильности работы лентопротяжного механизма достигается улучщеьие качества записи и воспроизведения фонограмм. - основного показателя класса аппаратуры. Следовательно, можно осуществить вьшуск аппаратл ы более высокого класса, без существенных конструктивных изменений ранее выпускаемой.

w