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

Изобретение относится к электрическим машинам, а именно к электрическим двигателям постоянного тока с бесконтактной ком мутацией, осуществляемой с помощью полупро водниковых приборюв, и может быть использовано, преимущественно, в электрических ма Н1инах, работающих в качестве реверсивных моментных двигателей систем управления объектов различного назначения со стабилизированной скоростью вращения. Известен реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор, датчик положения ротора (ДП) и электронный коммутатор, в котором коммутащ1я секции якоря осун1ествляется дискретно по сигналам ДП им пульсного типа 1. Недостатком такого электродвигателя явля ется нестабильность скорости вращения, вызванная пульсацией вращающего момента всле ствие дискретности коммутации. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, блок измерения модуля скорос ти врап1ения, выполненный в виде выпрямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр, задатчик скорости и сумматор 2. Недостаток известного двигателя заключается в низкой устойчивости работы при реверсе. Цель изобретения - повыщение устойчивости работы двигателя. Поставленная цель достигается тем, что известный реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой соединены с выходом однополярного полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, блок измерения модуля скорости, вьптолненный в виде вьпфямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр низких частот, задатчик скорости вращения и сумматор, дополнительно снабжен блоком изменения знака и дифференцирующим звеном, причем блок изменения знака подключен между выходом фильтра и первым входом сумматора, его управляющий вход подключен к выходу задатчика скорости, связанному через дифференцирующее звено с вторым входом сумматора. На фиг. 1 представлена функциональная схема реверсивного вентильного двигателя; на фиг. 2 - пример схемы однополярного усилителя постоянного тока; на фиг. 3 - часть принципиальной злектртеской схемы реверсив 64,2 ного вентильного двигателя, на фиг. 4 временные дааграммы, поясняющие работу устройства при одностороннем вращении; на фиг. 5 - то же, при реверсе. Реверсивный вентильный электродвигТтель содержит (фиг.1) задатчик 1 скорости с выходом на постоянном токе, модулятор 2, двухфазную синхронную машину 3 с постоянными магнитами на роторе 4 и двумя секциями 5 и 6 обмотки якоря, расположеггаой на статоре, а также синусо-косинусный вращающийся трансформатор 7 (являющийся датчиком положения ротора 4), первичная обмотка 8 которого подключена к выходу модулятора 2, а вторичные синусная 9 и косинусная 10 обмотки через фазочувствительные выпрямители 11 и 12 и усипители 13 и 14 постоянного тока подключены к первым выводам 15 и 16 секций 5 и 6 обмотки якоря. Вентильный двигатель дополнительно снабжен последовательно включенными блоком 17 измерения модуля скорости вращения, блоком 18изменения знака, образующими тахометрическую обратную связь и подключенными к первому входу дополнительно веденного элемента 19 сравнения, а также дифференцирую|щим звеном 20, включенным между задатчиком 1 скорости и вторым входом элемента 19сравнения. Управляющий вход блока 18 изменения знака через релейный элемент 21 также подключен к выходу задатчика 1 скорости. Кроме того, средние точки каждой секции 5 и 6 обмотки якоря синхронного двигателя 3 соединены с общей шиной 22, а вторые вывоД1 1 23 и 24 соединены через дополнительные усилители 25 и 26 постоянного тока и последовательно с ними включенные инверторы 27 и 28 с выходами соответствующих фазочувствительных выпрямителей 11 и 12. Все усилители 13, 14, 25 и 26 выгголнены однополярными, т.е. их выходные напряжения имеют один знак. Блок 17 измерения модуля скорости вращения выполнен в виде четырех диодов 29 32, отрицательные электроды которых подключены к выводам 15, 23, 16 и 24 секций 5 и 6 якоря, а положительные электроды соединены вместе и подключены к фильтру 33 нижних частот,1зыполненному, например, в виде ЬС фильтра. Направление включения диодов 29, 30, 31 и 32, указанное на фиг. 1, соответствует случаю положительной полярности (относительно общей шины 22) напряжений на выходах однополярных усилителей 13, 14, 25 и 26. В случае применения усилителей 13, 14, 25 и 26 постоянного тока с отрицательной полярностью выходных напряжений направление включения диодов 29 - 32 должно быть изменено на противоположное. Однополярные усилители 13, 14, 25 и 26 могут быть выполнены, например, в виде операционного усилителя 34, (фиг.2), входы которого через резисторы 35 и 36 соединены соответственно с инвертирующим 37 (вход II) и неинвертирующим 38 (вход 1) входами усилителя, а выход через транзисторы 39 и 40 подключен к выводу 15 секщш 5 обмотки якоря синхронного двигателя 3. Резисторы 41- и 42 служат для выбора рабочих режиMOB транзисторов 39 и 40, а резистор 43 образует цепь отрицательной обратной, связи. Транзистор 40 подключен к источнику питания положительной полярности 4 Uj.. При этом выход фазочувствительного выпрямителя 11 должен быть подключен к неинвертирующему вхо ду 38, а инвертирующий вход 37 должен быть соединен с общей шиной 22. Аналогично выполнены и усилители 14, 25 и 26. Инверторы 27 и 28 выполняются, например, на операционном усилителе. Однако вместо инверторов 27 и 28 может бь1ть использован инвертирующий вход 37 (вход И) усилителей 25 и 26. При этом неинвертирующий вход 38 (вход I) этих усилителей должен быть соединен с общей 22. Блок 18 изменения знака (фиг. 3) содерtioiT операционный уеилитель 44 с единичным коэффициентом усиления, оба входа которого соединены с выходом фильтра 33 нижних частот, а неинвертирующий вход соединен с общей щиной 22 через ключ, выполненный на вранзисторе 45. База транзистора 45 черрз релейный, элемент 21, выполненный на компараторе 46, подключена к выходу задатчика 1 ск рости. Элементом 19 сравнения служит операционный усилит 47, а дифференцирующая цепь выполнена, например, на резисторе 48 и конденсаторе 49. Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим образом. Сигнал уставки скорости U (фиг. 1), выработанный задатчиком 1 скорости, пройдя через дифференцирующую цепь 20, сравнивается в элементе 19 сравнения с сигналом обрат ной связи Up. Полученный при этом сигнал ощибки и 5 поступает через модулятор 2 на первичную обмотку 8 вращающегося трансфор матора 7, в результате чего на его вторичных обмотках 9 и 10 вырабатываются напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону, но сдвинутые друг относительно друга на 90 эл. град. Пройдя через соответствующие фазочувствительные выпрямители 11 и 12, эти напряжения (Ug и Up ) (фиг. 4 q и Ь ) поступают на усилители 13, 14, 25 и 26. Так . как усилители имеют однополярный положительный выход (фиг. 2), то на выходах усилителей 13 и 14 появляется напряжение только при положительной полуволне входных напряжений Uj- и Kg, а на выходах усилителей 25 и 26 (которые включены через инверторы 27 и 28) - только при отрицательной полуволне входных напряжений Uj и Ug (фиг. 4c-i зти рабочие полуволны выходных напряжений показаны сплощной линией и зааггрихованы). В другие полупериоды соответствующие усилители закрыты и на их выходах напряжения отсутствуют. Так как секции 5 и 6 обмотки якоря сдвинуты одна относительно другой на 90 эл. град., а половины этих секций включены встречно, то каждая секция создает магнитный поток, изменяющийся по гармоническому закону. Сумма зтих потоков образует вращающееся магнитное поле в расточке статора взаимодействие которого с полем, образуемым постоянными магнитами ротора 4, создает постоянный вращающий момент электродвигателя, приводящий его ротор 4 во вращение. Таким образом, в рабочие полупериоды (на фиг. 4 с защтрихованы) напряжения U, 1)2, и,и U4 обеспеч1геают непрерывное вращение ротора 4 синхронного двигателя 3. В нерабочие полупериоды в секциях 5 и 6 обмотки якоря наводятся ЭДС вращения отрицательной полярности (на фиг. 4 с - i щтриховая линия), которые через диоды 29 - 32 поступаюг на вход фильтра 33 нижних частот и суммируются на нем, образуя напряжение U (фиг. 4§.). Среднее значение этого напряжения (J , выделенное фильтром 33 нижних частот и пропорциональное модулю скорости вращения ротора. 4, поступает на блок 18 изменения знака. Если предположить, что ключ, собранный на транзисторе 45 (фиг. 3), открывается напряжением отрицательной полярности и закрывается напряжением положительной, то при полож-ительной полярности уставки напряжения Uy и инвертирующем включении релейного элемента 21 транзистор 45 открыт, поэтому операшюнный усилитель 44 работает в инвертирующем режиме.и напряжение обратной связи имеет положительную полярность. При отрицательной полярности напряжения U уставки скорости транзистор 45 закрыт, операционный усилитель 44 работает в неинвертирующем режиме и напряжение обратной связи UQJ. U , т.е. имеет отрицательную полярность. Таким образом, знак напряжения обратной связи всегда совпадает со знаком напряжения уставки, поэтому напряжение Ug на выходе элемента 19 сравнения (фиг. 3) пропорционально их разности, т.е. ошибке системы регулироватш скорости. При реверсе вентильпый электродвигатель работает след ющим образом. Если предполож-пть, что до момента t (фиг. 5 а ) напряжение ставки скорости (J положительно, то в момент реверса t оно няет свой знак. Тогда напряжение U на выхр де дифференцирующего звена 20 имеет вид от рицательного импульса Сфиг. 5 Ь ) с экспонен циально спадающим задним фронтом. В момен реверса t напряжение обратной связи U. также изменит свой знак (фиг. 5с ), потому что блок 18 реверса, работает таким образом, что знак UQC всегда соответствует знаку . Дале вид напряжения UQ отражает вид модуля скорости вращения И двигателя, которая определяется напряжением ошибки Ug. Так как напряжение ощибки равно то в момент реверса это напряжение также будет иметь вид отрицательно экспоненциально спадающего импульса (на фиг. 5 показано штриховой линией). Фактически в связи С насыщением операционного усилителя 47 элементу 19 сравнения (фиг. 3) напряжение ошибки Uj при реверсе в течение промежутка времени t о - t 2 ограничено некоторым максимальным напряжением насыщения Ug (фиг. 5 о1), которое приводит к ограничению выходных напряжений и - усилителей 13, 14, 25 и 26 (фиг. 2). Насыщение может наступить и вследствие ограничений в модуляторе 2 или самих усилителях 13, 14, 25 и 26, причем его можно подобрать таким образом, что реверс двигателя в течение времени tjj - 12 оудет производиться при максимально возможных выходных напряжениях усилителей 13, 14, 25 и 26. При этом скорость двигателя 52 за время П -t уменьшится до нуля, а затем изменит свой знак (фиг. 5е). Подбирая параметры дифференцирующего звена 20 (например, резистора 48 и конденсатора 49 на фиг. 3), можно менять форму напряi JTff й/Л- yCu/ f//7 ме жения ошибки при реверсе, в частности период насыщения t. тем самым изменять скорость переходного процесса и даже его форму, oбecпeчивaяi например, переходный процесс с перерегулированием. При зтом, как показал эксперимент, оптимальным является выбор постоянной времени дифференцирующего звена (0,5 - 1) т, где Тэм- тромеханическая постоянная времени электродвигателя. . Кроме того, экспериментальные исследования показали, что дифференцирующее звено не только изменяет параметры переходного процесса, но и предотвращает неустойчивую работу вентильного электродвигателя. Действительно, если к моменту реверса tg (фиг. 5) напряжение оишбки Ug имеет по какой-либо причине отрицательный знак (например, при наличии BHeaiHHX возмущающих моментов нагрузки или других воздействий, вызывающих пульт сацию скорости вращения), то в момент реверса t- напряжение ошибки Ug изменяет свой знак на положительный, что вызьгеает не торможение двигателя, а его разгон в том же направлении, вследствие чего скорость вращения 5Z начинает возрастать. Это приводит к еще большему увеличению положительного значения напряжения ошибки и дальнейшему разгону двигателя вплоть до максимально возможной скорости, когда двигатель становится неуправляемым. Таким образом, при отсутствии дифференцирующего звена возможна неустойчивая работа двигателя при реверсе. При наличии дифференцирующего звена такая неустойчивость отсутствует, так как с учетом рассмотренного выше насыщения (фиг. 5d ) при реверсе цепь обратной связи перестает влиять на напряжение ошибки Ug и знак напряжения ошибки будет определяться только знаком напряжения уставки скорости + f /

7

f

-

.f

.1

Л

I-о

«7/

-Of

r

Jff

b-w

y

-

Л4

%

/1 I

Ч

J

JT

ff.

;

20

Фг/г.J

Ф1/г.

РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТЮДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, тор с обмоткой якоря, секции которой сое нены с выходом однополярного полупрово никового коммутатора, управляющие цепи SU,,,, 1046864 3