Вентильный электродвигатель Советский патент 1984 года по МПК H02K29/02 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к шаговым двигателям, работающим в режиме самокоммутации, и к вентильным электродвигателям.

Известны вентильные электродвигатели постоянного тока, секций якор.ных обмоток которых подключены через однополупериодный транзисторный коммутатор к источнику питания, а для защиты транзисторов коммутатора от перенапряжений применяются цепочки из последовательно соединенных диодов и стабилитрона f J«

Недостатком известных двигателей является низкий КПД, так как на стабилитроне рассеивается практически вся .энергия, запасенная fe индуктивности секции якорной обмотки.

Кроме того, для обеспечения лучшего использования активных материалов двигателя и надежного его пуска, угол активной зоны сигнального сектора датчика положения ротора при трехфазной обмотке якоря должен быть больше 120 эл. град., что в данном двигателе приводит к значительным пульсациям тока питания, что в свою очередь вызывает помехи для нормальной работы устройств, подключенных к общей питающей сети.

Наиболее близким к предлагаембму по технической сущности является вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, один из зажимов каждой из секций которой соединен через основной транзистор Im -канального однополупериодного коммутатора с одним из полюсов цепи питания и через отсекающий диод ;d ДРУГИМ ее полюсом, схему преобразования при коммутации запасенной в секциях энергии, содержащую конденсатор и in транзисторов, каждьш из которых связан с общей точкой секции силового транзистора и датчик положения ротора, чувствительные элементы которого связаны с управляющими цепями силовых транзисторов своего канаа 2 3.

Однако данное устройство характеризуется относительно низкой надежностью вследствие того, что энергия агнитного поля, запасенная в индуктивности секций якорной обмотки, выдеяется на резисторе разрядного устойства и в секциях при больших напряжениях, а также значительными ульсациями тока питания вследствие

поочередного подключения одной или двух фаз обмотки якоря к источнику питания при угле активной части сигнального сектора датчика положения ротора большем 120 эл.град. при трехфазной обмотке якоря.

Целью изобретения является повьте.ние надежности и энергетических показателей, -уменьшение пульсаций тока источника питания вентильного реактивного двигателя постоянного тока.

Указанная цель достигается тем, что вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, один из зажимов каждой из m секций которой соединен через силовой транзистор т -канального однополупериодного коммутатора с одним из полюсов цепи питания и через отсекающий диод - с другим полюсом, цепи питания схему преобразования энергии коммутации, содержащую Конденсатор и m транзисторов, каждый из которых связан с общей точкой секции и силового транзистора, и датчик положения ротора, чувствительные элементы которого связаны с управляющими цепями силовых транзисторов своего канала, снабжен дополнительными диодами и двухвходовыми логическими схемами совпадения, причем диоды в каждом канале подключены между общей точкой силового транзистора и секции и первым из электродов транзистора схемы преобразования, второй электрод каждого из транзисторов схемы преобразования соединен с общей точкой секции и отсекающего диодй своего канала, управляющий электродрод соединен с выходом схемы совпадения, первьй вход каждой из которых связан с выходом чувствительного элемента своего канала, второй с выходом чувствительного элемента канала, предьщущего по направлению вращения, общие точки дополнительных диодов итранзисторов схемы преобразования объединены и подключены к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого соединена с общей точкой цепочки из последовательно соединенных диодов, подключенной к цепи питания встречно ее полярности.

На фиг. 1 приведена схема электродвигателя; на фиг. 2 - диаграмма работы транзисторных ключей (наличие положительного сигнала условно обозначает открытое состояние соответствующего ключа). Вентильный реактивный электродвигатель постоянного тока содержит, на пример, пассивный явно полюсный ротор, статор с трехфазной обмоткой якоря, каждая из фаз 1, 2 и 3 которой соединена с одним из полюсов источника питания через транзисторные лючи 4, 5 и 6 однополупериодного коммутатора, управляющие цепи которьп подключены к выходу датчика положения ротора 7 с углом активной зоны сигналь. ного сектора большим 120 эл.град,.об зуя три канала усиления 8,;9 и 10. С другим же полюсом источника фазы обмотки соединены через диоды 11, 12 и 13. Цепи защиты силовых ключей ком мутатора от перенапряжений содержат конденсатор 14, одна из обкладок которого соединена с общими точками ка дого из ключей 4, 5 и 6 и фаз обмот- ки якоря 1, 2 и 3 через диоды 15, 16 и 17 и с общими точками диодов 11, 1 и 13 и другого конца фаз обмотки яко ря 15 2 и 3 через силовые электроды .транзисторов 18, 19 и 20, управляющи цепи которых подключены к логическим схемам попарного совпадения 21, 22 и 23 сигналов положения ротора 7 через усилительные устройства 24, 25 и 26. Другая обкладка конденсатора 14 подключена к полюсам источника пи тания через диоды 27 и 28. Вентильный двигатель работает сле дующим образом. Предположим, что сигналом датчика положения 7 открыт силовой транзисторный ключ однополупериодного коммутатора . В фазе 1 обмотки якоря протекает ток по цепи: источник питания - диод 11, фаза 1, транзистор 4 Конденсатор 14 при этом заряжен до величины напряжения, больщей величины напряжения источника питания, за счет отключения тока в предьщущей фазе. При повороте ротора на определенныи угол сигнал, датчика положения ротора 7 через усилитель 9 открывает транзисторный ключ 5, и одновременно сигнал логической схемы попарного совпадения 22 через усилитель 25 50 открывает транзистор 19. Напряжение конденсатора 14 прикладывается к фазе 2 обмотки якоря и в последней начинает протекать ток по цепи: конденсатор 14, транзистор 19, фаза 2 об- 55 мотки якоря, транзисторный ключ 5, диод 27. Поскольку напряжение конденсатора 14 выше напряжения источника 1

чаемой фазы 2 энергией поля конденcaTotja 14 на интервале перекрытия сигналов датчика положения ротора (фиг. 2), и только фаза 1 подключена к источнику питания, а значит отсутствуют пульсации тока источника питания, обусловленные одновременным подключением к нему двух фаз. По окочании заряда конденсатора 14 ток фазы 1 прекращается. При дальнейшем повороте ротора открывается транзисторный ключ 6 и транзистор 20, и цикл повторяется. 234 питания, то нарастание тока в фазе 2 происходит форсировано. Конденсатор 14 разряжается, и фаза 2 на интервале перекрытия сигналов датчика положения ротора 7 получает питание только за счет энергии электростатического поля, накопленной в конденсаторе. К источнику питания подключена только фаза 1. При этом ротор продолжает вращаться и в некоторый момент времени сигнал датчика положения ротора отключает транзисторный ключ 4, а сигнал с выхода схемы логического попарного совпадения сигналов датчика положения ротора 22 - транзистор 19. Конденсатор 14 прекращает свой разряд и ток через фазу Т. протекает под действием напряжения источника гштания по цепи: диод 12, фаза 2, транзисторньй ключ 5. Ток фазы 1 под действием ЭДС самоиндукции начинает протекать через диод 15, конденсатор 14, диод 28 и диод 11, заряжая при этом конденсатор 14. Происходит форсированное спадание тока в фазе 1. Энергия магнитного поля, накопленная в индуктивности фазы 1j накапливается в электростатическом поле конденсатора 14, заряжая его до напряжения, большего напряжения источника питания, которое сохраняется до последующего изменения структуры схемы. Одновременно осуществляется защита силовых ключей 4, 5 и 6 полупроводникового коммутатора от перенапряжения. Величина конденсатора 14 выбирается из условия, чтобы напряжение на нем не превышало допустимого напряжения коллектор-эмиттерного перехода транзисторов 4, 5 и 6 коммутатора и чтобы он при номинальном режиме работы двигателя за время перекрытия сигналов датчика положения не успевал разрядиться до напряжения источника питания. Этим самым обеспечивается питание вклюИспользование вентильного реактив ного двигателя постоянного тока позволяет значительно повысить его надежность и КДЦ по сравнению с извест ным, вследствие того, что практйчески вся энергия магнитного поля, запасенная в индуктивности отключаемой фазы, накапливается в электростатическом поле конденсатора, при этом ограничивается перенапряжение на элементах полупроводникового коммутатора до допустимой величины, а при включении последующей фазы передается в нее, выполняя таким образом полезную работу, в то время как с использованием в прототипе для защиты транзисторов коммутатора от перенапряжений разрядного устройства состоящего из последовательно соединенных транзистора и резистора, на последнем выделяется в виде тепла практически вся энергия магнитного поля отключаемой фазы. Кроме того, цепи защиты электродвигателя обеспечивают отсутствие пульсаций тока питания, которые в прототипе возникают за счет одновременного подключения двух фаз обмотки якоря на интервале перекрытия сигналов датчика положения ротора к источнику питания, что вытекает из необходимости более лучшего использо- . вания активных материалов в реактивгом двигателе и обеспечения надежного пуска, благодаря тому, что вновь включенная фаза на периоде перекрытий сигналов датчика положения получает питание не от источника, а за счет.энергии, накопленной в конденсаторе при отключении предьщущей фазы, а к источнику питания в любой момент времени подключена только одна фаза двигателя. Наибольшее применение изобретение найдет в вентильных электродвигателях, электромеханический преобразователь которых выполнен в виде реактивной или индуктивной синхронной машины, поскольку они обладают повыщенным рассеянием и в секциях запасается много энергии. В других типах вентильных электродвигателей, в частНости в электродвигателях с возбуждением от постоянных магнитов, целе.сообразно использовать изобретение с повышением их мощности.

Й

Фиг.

ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, один из зажимов калсдой из m секций которой соединен через силовой транзистор fn -канального однополупериодного коммутатора с одним из полюсов цепи питания и через отсекающий диод - с другим полюсом цепи питания, схему преобразования энергии коммутации, содержащую конденсатор и m транзисторов, каждый из которых связан с общей точкой секции и силового транзистора и датчик положения ротора, чувствительные элементы которого связаны с управляющими цепями силовых транзисторой своего канала, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и энергетических показателей, он снабжен дополнительными диодами и логическими схемами совпадения, причем диоды в каждом канале подключены между общей точкой силового транзистора и секции и первым из электродов транзистора схемы преобразования, второй электрод каждого из транзисторов схемы преобразования соединен с общей точкой секции и отсекающего диода своего канала, управляющий электрод соединен с выходом схемы совпадения, первый вход каждой из которых связан с выходом чувствительного элемента свосл его канала, второй - с выходом чувствительного элемента канала, предыс: дущего по направлению вращения, общие точки дополнительных диодов и транзисторов цепи преобразования объединены и подключены к первой обкладке конденсатора, вторая обкладка которого о соединена с общей точкой цепочки из последовательно соединенных диодов, СП подключенной к цепи питания встречно СО ls3 ее полярности. СО