Вентильный электродвигатель Советский патент 1985 года по МПК H02K29/03 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям для регулир уемого электропривода, и может найти применение в электроприводах металлорежущих станков и других механизмов. Известен вентильный двигатель, содержащий ротор, якорь с обмоткой, секции которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения S, а также датчик положения ротора, подключенный к блоку регулирования pi. Недостатком устройства являются низкие энергетические показатели изза несовпадения формы фазного тока и формы ЭДС, Наиболее близким к изобретению по - тезшической сущности является вентильный электродвигатель, содержащий Р-полюсный ротор, статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к преобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управляющие цепи которого подключены к вькоду блока импульсно-фазового ущ авления вьтрямителем, инвертор и блок ишгульйяо-фазового управления инверторомi а также блок регулирования s входы которого подключены к выходам тахогенератора к импульсного датчика положения ротора, а выходы к пераьп4 входам блоков регулирования вьтрямлешюго токи и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блокарегулирования выпрямленного тока подключен к выходу датчика постоянного тока,а его выход - к вхо ду блока импульсно-фазового зшравления выпрямителем 2. . Недостатком известного вентильного двигателя является высокий уровень высших гармоник в токе якоря вентильного двигателя, которые вызывают пульсации электромагнитного момента в дополнительные потери в рото ре электрической машины, что снижает энергетические показатели и срок службы двигателя, особенно мощного, а также ограничивает его применение для механизмов, требующих широкого диапазона регулирования скорости вращения.. . Цель изобретения - повьшение энер гетических показателей за счет приближения формы фазного тока к форме фазной ЭДС. Поставленная цель достигается тем, что в вентильный двиг-чтель, содержащий Р-полюсный рртср 3 статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к преобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управляющие цепи которого подключены к вьпсоду блока импульснофазового управления выпрямителем, инвертор и блок 1гмпульсно- фазового управления инвертором, а также блок регулирования, входы которого подключены к выхода тахогекератора и импульсного датчика положения ротора, а выходы - к первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блока регулирования выпрямленного тока подключен к выходу датчика псстоянного тока, а его выход - к входу блока импульснофазового управления выпрямителем, введены П управляемых вентильных мостов, которые включены между собой и управляемым мостом инвертора тока параллельно по цепи постоянного тока через дополнительно введенные уравнительные реакторы, а по цепи переменного тока непосредственно, а также коммутатор,, включенный между управляющими цепями инвертора и блоком импульсно-фазового управления инвертором, при этом второй вход блока импульсно-фазового управления инвертором подключен к выходу датчика постоянного Tojca. Кроме того, блок управления инвертором снабжен п + I фазосдвигающими узлами и h сумматорами, объединенные первые входы которых и вход одного из фазосдвигающих узлов образуют первый вход блока импульсно-фазового управления инвертором, объединенные вторые входы сумматоров образуют второй вход блока импульсно-фазового управления инвертором, третьи входы сумматоров также объединены и предна- значены для подключения к источнику опорного напряжения, а выходы сумматоров подключены к входам фазосдви- гающих узлов, выходы которых образуют выход блока импульсно-фазового управления инвертором. На фиг.1 изображена функциональная схема вентильного двигателя; на фиг.2 - диаграммы работы основных функгщональных узлов двигателя. Вентильный электродвигатель содер жит синхронную машину 1, якорная обмотка которой подключена к инвертору 2 тока, 3 обмотка возбуждения к возбудителю 3, выпрямитель 4 с дат чиком 5 вьтрямпенного тока и сглаживающим; дросселем 6, подключенным к инвертору 2, блок 7 регулирования, подключенный первьи выходом к первому входу регулятора 8 тока, второй вход которого подключен к датчику 5 выпрямленного тока, а вьзход - к входу блока 9 импульсно-фазового управления выпрямителем, блок 10 импульсно-фазового управления инвертором с фазосдвигающими узлами 1 и 12 и cyм faтopoм 13, первый вход которого, объединенный с входом фззосдвигакяцего узла 11, образуют первый вход блока 10 импульсно-фазового управле-го ния инвертором, подключенкь й к второму выходу блока 7 регул грования, второй вход сумматора 13 образует второй вход блока 10 импульсно-фазового управления инвертором, подключенный к выходу датчика 5 постоянного тока, а выход сумматора 13 подключен к входу фазосдвигающего узла. 12, выход которого и выход фазе- сдвигающего узла 11 образуют выход блока 10 импульсно-фазового управления инвертором, подключенный к входу коммутатора 14, выход которого, в свою очередь, подключен к управляюгщим цепям инвертора 2, а также техогенератор 15 и импульсный датчик 16 положения ротора, связанные с валом синхронной машины 1 и подключенные соответственно .к второму и третьему входам блока 7 регулирования. Инвертор собран на управляемых вентилях 17 - 28 и подключен к цепи питания через уравнительные реакторы 29 и 30. На фиг.2 обозначены кривые 31 фазных ЭДС синхронной машины 1, токи ; 2,протекающие через вентили 17- 22,токи. 33, -протекающие через вентили 23 - 28, кривая 34 тока в фазе А синхронной машины, углыА Й опережения включения вентилями ин. вертора, углы jf4. Уг коммутации вентилей 17 - 28, включаемьгх с углам опережения включения р, , /J соответст венно, временной сдвиг &(5 между на- чалами проводящего сотояния вентилей инвертора , подключенных к одной фазе. Коммутатор может быть выполнен по одной из известных схем, а сумматор на основе операционного усилителя, Вентильный электродвигатель работает следующим образом. В исходном положении напр51жеиие подведено к выпрямителю 4 преобразователя частоты и возбудитетео 3, угол /3 опережения управления инвертором 2 не равен нулю, сигналы управления 1) задающее напряжение органа управления вентильным двигателем и Ug - напряжение управления возбудителем отсутствуют, синхронная машика 1 стоит. Величина угла / , отсчитываемого относительно точки пересечения линейных ЭДС холостого хода, ус-« танавливается достаточной для обеспечения коммутации вентилей йнвер- ; тора. При поступлении сигналом Uy и Ug от органа управления на входы блока. регулирования и возбудителя 3 форюгруется команда на пуск синхронной машины . При этом с первого выхода блока 7 регулирования через блок 8 регулирования тока и блок 9 импульсно-фазового управления выпрямителем поступает сигнал на открытие вентилей выпрямителя 4, а с второго выхода блока 7 регулирования через блок 10 импульсно-фазоЕэго управления инверторов и коммутатор 14 поступает сигнал на открытие вентилей инвертора 2. Возбуященный ротор синхронной машины I начинает разворачиваться. После поворота синхронней машины 1 на тактовый шаг .{бО эл.град.) по сигналу и шyльcнoгo датчика 16 положения ротора, поступающему на вход блока 7 регулирования, блок 7 регулирования производит операцию по искусственной коммутации вентилей инвертора 2 -путем кратковременного перевода выпрямителя 4 в режим инвертирования. Последующие такты коммутации вентилей инвертора 2 (при работе синхронной машины 1 в диапазоне частот О - 0,1 номинальнойУ производятся аналогичн ым образом по командам, поступающим от датчика 16 положения ротора. При достижении синхронной машиной I частоты вращения 0,1 синхронной по сигналу тахогенератора 15, поступаюЧ У а один из входов блока 7 регулирования, блок 7 регулирования пе-. реводит инвертор 2 в режим естественной коммутации. 3 Работа вентильного электродвигателя в режиме естественной коммута ции инвертора 2 за счет ЭДС синхрон ной машины 1 осуществляется следунгщим образом. Напряжение, пропорциональное выпрямленному току вьшрямителя 4, с датчика 5 тока поступает на соответствующий вход сумматора 3 блока 10 импульсно-фазового управления инвертором. На другой вход сумматора 13 и вход фазосдвигающего узла 11 подается напряжение с блока 7 регулирования, а на третий вход сумматора 3 напряжение ( источника опор него напряжения. В сумматоре 13 осуществляется вьтолнение логической операции суммирования, что приводит к появлению на его выходе напряжения (.+Up-K lJ (где К, - коэффициент пропорциональности; Ij - величина выпрямленного тока), которое поступает на вход фазосдвигающего узла 12 В результате на выходе фазосдвигающего узла 11 имеем шестифазную после довательность управляющих импульсов с углом опережения / , а на выходе фазосдвигаквдего узла 12 - шестифазну пос-педовательность управляющих импульсов с углом опережения + u ,4ir|5( - 4р1 f if-u/e-ifit Шестифазйые последовательности управляняцих импульсов, фаза которых |3, и Rg с выхода блока Ш импульснофазового управления инвертором посту пает на коммутатор 4, который распределяет управлякшше импульсы мелоду управляемыми вентилямч инвертора так чтобы в один период своего проводящего состояния вентили, подключенные к одной фазе, напри|4ер вентили 17 и 23 включались с углом опережения AI вкяюченгя соответственно, в другой период - наоборот, с углами и , и т.д. Это приводит к тому, что в любой момент времени токи, протекающие через вентили, подключенные одинаково (либо своими анодами, либо своими катодами| к одной фазе синхронной машины, сдвинуты друг относительно друга на угол |ir p- |;-u| lj 4- f по частоте вращения синхронной машины. Величина (п-И) рад., выбирает67ся из расчета максимально возможного приближения формы фазного тока к синусоидальной при малой нагрузке вентильного двигателя, когда углы комму- таидии вентилей инвертора , . 5 0. Назначение составляющей ftftf корректировать величину „.. „р„ нагрузке вентильного двигателя с тем, чтобы не нарушить условия, максимально возможного приближения формы фазного тока к синусоидальной. Фазный ток, равный сумме упомянутых токов, в этом случае приобретает ступенчатую форму (число ступеней зависит от количества И мостов в инверторе). Очевидно, что такая ступенчатая кривая ближе по форме к синусоидальной, чем кривая прямоугольной формы у известного устройства. В сформированной таким образом кривой ступенчатой формы присутствуют гармоники с номерами (6itl) ,2, 3,... При этом амплитуды- гартМОНИК с номерами (6111) , где i 1,2,3,.... без числа вида jn, j (1,00 ), снижаются как минимум в 33,5 раза. Например, при уменьшаются амплитуды гармоник с номерами 5,7,17,19,29,31,..., при . ; уменьшаются амплитуды гармоник с номерами 5,7, 1 1 , 13,23,25,29,31 ,... и т.д. Уменьшение высших гармоник в токе и МДС якоря двигателя позволяет уменьшить или даже полностью избавиться от паразитных электромагнитных моментов, повьш1ая тем самым энер гетические характеристики электропривода . Из-эа уменьшения высших гармоник уменьшаются потери в успокоительной обмотке- и обмотке возбуждения, а также в стали ротора. Потери в меди якорной обмотки также уменьшаются, но незначительно, поскольку некоторое рассогласование между углами опережения включения приходится коггпенсировать увеличением величины входного тока при прочих равных условиях. Поэтому несмотря на то, что добавочные потери в якорной обмотке вентильного двигателя, обусловленные токами высших гармоник, уменьшаются значительно (как миниму - в 4,7 ра7 ..S) потери в якорной обмотке умень- иаготся Bcefo в 1,2-1,3 раза. , Уравнительные реакторы обеспечивают не только нормальную работу инвертора с заданным алгоритмом переключения вентилей, но и выполняют роль сглаживающих фильтров, уменьшающих пульсации входного тока инвер тора и, тем самым, способствующих уменьшению добавочных потерь. Кроме того, установленная мощность уравнительных реакторов составляет 0, от мощности вентильного двигателя и очевидно, что такое увеличение может быть скомпенсировано уменьш1ением мощности сглаживающего дросселя в цепи выпрямленного тока. Таким образом, в вентильном электродвигателе форма тока якоря приближается к форме противс-ЭДС за 678 счет уменьшения, как минимум в 33,5 раза, уровня гармоник (6111), где ,2,3,... без чисел вида j(n+l), ), (п+1) - количество управляемых мостов в инверторе. При этбы повышается КПД двигателя на 2-3%, уменьшаются пульсации электромагнитного момента, расширяется рабочий диапазон регулирования частоты вращения, что особенно важно в вентильных двигателях большой, мощности. Вентильный электродвигатель может найти широкое применение в.электроприводах металлорежущих станков и других механизмов ropHOpywf : и цементной промышленности, а также нефг тяной и газовой промышленности и на железнодорожном транспорте.

I. ВЕНТЙЛЬНЬЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ, содержащий Р-полюсный ротор, статор с расположенной на нем обмоткой якоря, секции которой подключены к нреобразователю частоты, содержащему выпрямитель, управлякнцие цепи ко- S торого подключены к выходу блока импульсно-фазового управления вьшрямителем, инвертор и блок импульсно-фазового управления инвертором, а также блок регулирования, входы которого подключены к выходам тахогенерато. ра и импульснод о датчика положения ротора, а выходы - к первым входам блоков регулирования выпрямленного тока и импульсно-фазового управления инвертором, второй вход блока регулирования выпрямленного тока подключен к выходу датчика постоянного тока, а его выход - к входу блока импульснофазового управления выпрямителем. отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей за счет приближения формы фазного тока к форме фазной ЭДС, введены П управляемых вентильных мостов, которые включены между собой и управляемым мостом инверторА тока параллельно по цегм постоянного тока через дополнительно введенные ypasHfrтельные реакторы, а но цепи переменного тока - непосредственно, а также коммутатор, включенный между управляющими цепями инвертора и блоком импульсно-фазового закривления инвер- тором, при эеом второй вход блока импульсно-фазопого управления инвертором подключен к выходу датчика постоянного тока. 2. Электродвигатель по п., о т личающийся тем, что блок управления инвертором снабжен П -f 1 фазосдвигающиьш узлами и п сумматорами, объединенные первые входа которых и вход одного из фазосдвиганг :о щих узлов образуют первый вход блока импульсно-фазового управления инвертором, объединенные вторые входы ND сумматоров образуют второй вход блока импульсно-фазового управления инвертором, третьи входы сумматоров также объединены и предназначены для подключения к источнику опорного напряжения, а ыходы сумматоров подключены к входам фазосдвигающих узлов, выходы которых образуют выход блока импульсно-фазового управления инвертором.

Т

Фиг.

Й. ,ч

К п TWh w 17 W

II

r

-

4;j

0Ut,t