Вентильный электродвигатель Советский патент 1986 года по МПК H02K29/06 

первого коьтлекта на угол, равный 77б геом.рад., имеется также третье устройство 1 взаимной блокировки и широтно-импульсный модулятор 74. В данной схеме управления электродвигателем осуществляется чередоваИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в электрояриводах с вентильными электродвигателями.

Цель изобретения - снижение пуль сации момента и частоты вращения вентильного электродвигателя,

На фиг. 1 изображена блок-схема вентильного электродвигателя с трех секционной обмоткой якоря; на фиг. напряжений в узлах блок-схе- мы; на фиг. 3 и 4 - примеры выпол- нениахустройств взаимной блокировки на фиг. 5 и 6 - примеры выполнения RToporo формирователя управляющих сигналов; на фиг. 7 - механические характеристики вентильного двигателя с изменяемой структурой коммутатора; на фиг. 8 - зависимость М f (u)t) . для вентильного электро двигателя с изменяемой структурой коммутатора; на фиг. 9 - условное изображение пространственного расположения намагничивающих сил секций обмотки якоря вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с одной парой полюсов и обмоткой якоря с общим вьшодом 2 трех ее секций. Для данного двигателя при описании угловых величин геометрические радианы совпадают с электрическими. Секции обмртки якоря подключены к выхо 3 двухполупериодного преобразова- теля 4 частоты, выполненного на шести управляемых ключах 5-10, образующих анодную 5-7 и катодную 8-10 группы по три управляемых ключа в каждой, .с мостом обратного тока, три вентиля 11-13 одной из групп которого, например анодной вьтолне- ны управляемыми. Датчик 14 положе кия ротора вентильного электродвигателя выходом 15 первого комплекта

ние прямого.подключения секций к источнику питания с инверсным подключением следующей за предыдущей секции обмотки якоря, что соответствует уменьшению пульсаций вращающего момента. 1 в.п. ф-лы, 5 ил.

0 5-

0 , Q

Ч

5

чувствительных элементов подключенный к первому формирователю 16 управляющих сигналов с шестью каналами 17-22.выполненному на периоде повторяемости 2ТГ геом. рад. длительностью выходного сигнала (выходной характеристикой) в каждом канале, равной 2ТТ

геом.рад.,

3

каналы подключены к управляющим цепям 23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты.

Первые 29-31 и вторые 32-34 выводы ключей, соответственно анодной и катодной групп преобразователя 4 объединены в своих группах и образуют соответственно первый 35 и второй 36 обдае выводы преобразователя 4 частоты, служащие для подключения к источнику 37 питания и между которыми включены последовательно соединенные первые дополнительные управляемый ключ 38 и вентиль 39, к объединенным выводам 40 и 41 которых подключен общий вывод 2 трез секций обмотки якоря. Причем второй вывод 42 первого дополнительг ного ключа 38 соединен с вторым общим выводом 36 преобразователя 4 частоты, а превый дополнительн вентиль 39 включен встречно по отнот шению к источнику 37 питания. Первое устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам 45-47 вентилей 11-13 анодной группы моста обратного тока.;

Вентильный электродвигатель также содержит управляемые вентили 48-50 катодной группы моста обратного тока, вторые дополнительные управляемый ключ 51 и вентиль 52, включенные встречно-параллельно соответственно, первым дополнительным вентилю 39 и управляемому ключу 38, второе устройство 53 взаимной блокитровки, подключенное к управляющей це

пи 54 второго дополнительного ключа.

51 и к управляющий цепям 55-57 вентилей катодной группы моста обратного тока. Имеется второй фор мирователь 58 управляющих сигналов с восьмью каналами 59-66, выполненный с выходной характеристикой вида

.геом.рад.на периоде повторяе- 3

мости в каждом из первых шести кана лов 2 Ггеом.рад. ,а в каналах 65 и 66 на периоде повторяемости 2tT /3 геом. рад.Информационный вход 67 формирователя 58 подключен к выходу 68 второ

го комплекта чувствительных элементо датчика 14 положения ротора. Второй комплект чувствительных элементов датчика 14 смещен относительно первого на угол ТГ/6 геом.рад.

Каналы 59-64 формирователя 58 подключены управляющим цепям 23-28 ключей 5-10 преобразойателя 4 частоты, а каналы 65 и 66 - к .входам 69 и 70 первого 43 и второго 53 устройства взаимной блокировки. Третье устройство 71 взаимной блокировки подключено к управляющим входам 72 и 73 первого 16 и второго 58 формирователей управляющих сигналов

Электродвигатель снабжен широтно импульсным модулятором 74, включенным на вход 75 третьего устройства 71 взаимной блокировки.

Конструктивно датчик 14 положения ротора может быть выполнен по любой известной схеме, например трансформаторный с подмагнйчиванием или емкостной. .

IB выходнь(х каналах каждого комплекта чувствительных элементов датчика положения ротора формируются сигналы о положении ротора синхронной машины 1, смещенные в данном случае относительно друг друга на 2ТГ/3 геом.рад. Длительность каждого сигнала соотвествует угловому повороту ротора на уголТГ геом.рад..

Цепи 26-28 управления ключей 8-10 катодной группы ключей пре- образоват.еля 4 частоты и вход первог го устройства 43 взаимной блокиров- .ки либо цепи 23-25 управления клю. j

to

20

25

30

35

5 50

55

чей 5-7 анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и вход 69- второго устройства 53 взаимной блокировки могут быть подключены к вы- : ходу дополнит ечьногопшротно-импулье- ного модулятора (не показан).

Устройства 43, 53 и 71 взаимной блокировки могут быть реализованы, по однотипной принципиальной схеме.

Устройство взаимной блокировки формирует на двух своих выходах сигналы взаимно противоположных уровней, причем уровень выходного сигнала, снимаемого с одного из выходов устройства взаимной блокировки, всегда совпадает с уровнем входного сигнала.. Примеры возможного выполнения устройств блокировки представлены на фиг. 3 и 4. Устройство, изображенное на фиг. 3, содержит комплиментарную пару транзисторов 76 и 77, эмиттеры которых являются выходами устройства 71 взаимной блокировки. Коллекторы 78 и 79 транзисторов 76 и 77 подклю чены к разнополярным клеммам источника питания, а базы 80 и 81 объединены и образуют вход 75 устройства 71 блокировки. На фиг. 4 показано устройство 71, состоящее из двух транзисторных усилителей на транзисторах 82 и 83, коллекторные выводы которых являются выходами устройства 71, а управляющие выводы 84 и 85 которых подключены соответственно к входу и выходу логического инвертора 85, вход 75 которого явля-« ется входом устройства 71.

Первый формирователь 16 управляющих сигналов осуществляет форкироваг ние из сигналов датчика 14 положения ротора сигналов на управление двухполупериодным подключением ,обмоток якоря синхронной машины 1 к источнику 37 питания.

Второй формирователь 58 управля- кхцик сигналов формирует на своих выходах 59-65 такую последовательность управляющих сигналов ключами 5-10 преобразователя 4 частоты и устройствами 43 и 53 взаимной блокировки, которая обеспечивает поочередное подключение непосредственно каждой секции обмотки якоря к источнику 37 питания как в прямом, так и в инверсном направлениях, с целью создания однонаправленного электромагнитного момента.

Формирователь 58 можеГ иметь различные выполнения. Формирователь 58 (фиг. 5) содержит де- пнфратор 86, входы 87-89 трех младших разрядов которого ЯВЛЯ()ТСЯ

информационным входом 67 формирователя 58, а вход 90 старшего разряда дешифратора 58 совместно с управляющим входом 91 схемы Запрет 92 образуют управляющий вход 73 фор1мирователя 58. Выходы 59-64 дешифратора являются первьа и шестью выходами формирователя 58, а выходы 59-61 подключены к входам логического сумматора 93, прямой выход 66 которого является вось- Mtai выходом формирователя 58, а инверсный выход сумматора 93 подклн чен к информационному в.ыходу схемы Запрет 92, выход 65 которой является седьмь&| выходом формирователя , 58.

Для вентильного электродвигателя с шестиканальным датчиком положе;- ния ротора на периоде повторяемости 2ТГ/Р геои.рад. мозкет быть использован формирователь 58 (фиг, 6), состоящий из первых шести схем Запрет 94-9, информационные входы 100-105 которых являются информационным входом 67 формироват теля 58. Входы tOt, 103 и 105 схем 3апрет соединены с входами логического сумматора 106, инверсный и прямой выходы которого под-. ключенй к информационным входам седьмой 107 и восьмой 108 схем Запрет, управлякщие входы схем 94-99, 107 и 108 объединены и образуют управляющий вход формирователя 58.

На фиг, 7 изображена механичесг кая характеристика 109, соответству кяиая работе двигателя с двухполупе- риодным преоб.разователем 4 частоты, управлянщие сигналы на ключи 5-10 которого поступаю с выходов 17-22 первого формирователя управляющих сигналов при разо жнутом первом 38 и втором 51 дополнйтельньгк управ- ляемшс ключах и заблокированном втором формирователе 58 управляющих сигналов, и механическая характеристика 1lO, соответствующая работе двигателя, когда к клеммам источника питания подсоединяется непосредственно каждая отдельная секция обмотки якоря, при этом заблокирован первый формирователь,16 управляющих сигналов, а управляющие сигналы на ключи 5-10 преобразова- теля 4 частоты и входы первого 43 и второго 53 устройств блокировки поступают с выходов 59-66 второго формирователя 58 управляющих сигналов.

На определенном интервале времени третьим устройством 71 взаимной

0 блокировки заблокирован второй

формирователь 58 управляющих сигналов. Это значит, что на входах первых двух устройств 43 и 53 блокировки отсутствуют управляющие

с сигналы, чем обеспечивается разомкнутое состояние дополнительных ключей 38 и включеннное состояние управляемых вентилей моста обратного тока преобразователя 4 часQ тоты. Секции якорной обмотки синхронной машины 1 получают двухполу- периодное питание от источника 37 постоянного тока. Управление ключами 5-10 преобразователя 4 частоты

J- осуществляется по сигналам U ,

J If Hi 15

t5 выхода 15 первого комплекта чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, преобразованным в первом формирователе 16 управлякицих сигналов,

В этом режиме вентильный электро- двигател работает на интервале времени .Ц, - t. Регулирование частоты вращения может осуществляться по сигналам дополнительного

2 щирртно-импульсного модулятора, взаимодействующего, например, с ключами 8-10 катодной группы ключей преобразователя 4 частоты. Вентильный электродвигатель имеет жесткую механическую характеристику 109 (фиг. 7), поскольку при достаточных величинах частоты дополнительного широтно-импульсного модулятора и

индуктивности обмотки якоря ток

4

двигателя не претерпевает разрывов.

Вентили 39 и 52 не оказывают влияния на работу двигателя.

0

Изменение структуры устройства вентильного электродвигателя осуществляется при изменении логического уровня «а входе 75 третьего .(устройства /1 взаимной блокировки

в момент времени с за счет блоки- ровки первого формирователя 16

управляющих сигналов и разблокировки Еторого формирователя 58 управляющих сиг.налов.

Чработает

интервале времени - со структурой коммутатора, обеспечивающей поочередное подключение каждой отдельной секции якоря не- посредственно к клеммам источника 3 питания. Управляющие сигналы Ueg б для вентильного электродвигателя показаны сплошной линией. Для подключения какой-либо секции обмотки якоря в прямом направлении открывается соответствующий ключ, например ключ 5, анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и первый дополнительньй yпpaвляe я IЙ ключ 38. Для подключения секции обмотки якоря в обратном направлени открывается соответствующий ключ, например ключ 9, катодной группы ключей преобразователя частоты и второй дополнительньет управляемый ключ 51.

На фиг. 9 изображено пространственное расположение намагничива- квдик сил секций А,В,С обмотки яко- ря синхронной мапшны 1 предлагаемого вентильного электродвигателя. Векторы F Fg , Fj, намагничивающих сил соответствуют прямому включению соответствующих секций А,В, С (фиг.

синхронной машины 1, а

F,

А включению этих

векторы

g, F - инверсному же секций,. Для создания непрерывного вращаюцего электромагнитного момента при непосредственном поочередном подключении к источнику питания каждой секции обмотки якоря необходимо чередовать прямое подклйчение секций обмотки якоря с инверсным подключением следующей за ней секции обмотки якоря, в зависимости от направления вращения. Переключая таким образом секции обмотки якоря, можно получить непрерывный, вращающий электромагнитный момент определенного знака(штри ховыми линиями показаны угловые положения ротора в моменты переключения секций).

Значения электромагнитного момен в функции времени показаны на фиг.8

Регулировани.е частоты вращения при работе с одной одределенной .структурой коммутатора может осуществляться по сигналам дополнителного широтно-импульсного модулятора, взаимодействующего, в случав; прямого включения секции обмотки якоря, с первым дополнительным уп

версного включения секции - с соответствующим ключом из катодной группы ключей преобразователя 4 частоты.

Использование двух комплектов чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, сдвинутых относительно друг друга на угол /2 рш, определяется необходимостью обеспечить при раздельном питании секций электромагнитный момент таким, чтобы в начале и в конце межкоммуг тационного интервала каждая секция якорной обмотки создавала одинаковый электромагнитный;момент. Использование же в обоих режимах работы вентильного электродвигателя только одного комплекта чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, особенно в двигателях с беспазовой конструкцией якоря, а также с обмотками якоря, обладающими мапыми индуктивностями, указанное условие не обеспечивает.

Управление третьим устройством 71 (взаимной блокировки осуществляется рт широтно-импульсного модулятора 74. Задавая различные законы изменения величины коэффициента заполнения импульсов модулятора 74, можно получить различные механические характеристики. Кроме того, управление третьим устройством взаимной блоки- ровки можно осуществлять вручную. Работа вентильного электродвигателя на интервале времени t - t (фиг.2) сопровождается рекуперацией энергии, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря через соответсвукнцие дополнительный вентиль например первый, и вентиль незаблокированной катодной группы вентилей моста обратного тока преобразователя 4 частоты, в источник 37 питания. Во время рекуперации энергии под- ключдеуая секция получает питание от отключаемой секции обмотки якоря.

Возможность протекания сквозных токов во. время переключения первого 38 и второго 51 дополнительных управляемых ключей исключается тем, что при достаточных индуктивностях секций обмотки синхронной машины 1 в момент отключения в секции возникает реактивная ЭДС, по величине превышающая напряжение источника питания и подключенная по отношению к источнику встречно-параллельно. Этим обуслаяливается протекание тока

рекуперации в источник постоянного тока. Этот ток проходит через дополнительный вентиль, включенный встреч- но параллельно вновь открываемому дополнительному управляемому ключу, и закрывает его, создавая падение напряжения на дополнительном вентиле, приложенное встречно коллектор- нр-эмиттерному переходу этого управляемого ключа на время рекуперации эк&ргк в источник. Таким образон осуществляется задержка на включение открываемого дополнительного управляемого ключа.

Формула изобретения

10

15

,1.Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с числом пар полюсов р и обмоткой якоря с общим выводом m ее секций, которые ггодключены к выходу двухполуперйодно- fo преобразователя частоты на 2in управляемьк ключах, образунмдах анодную и катодную группы по m управляемых ключей в каждой, с мостом обратного тока, га веит.илей одной Нз групп которого, например анодной, Вьщолнены управляемыми, и датчик положения ротора, выход первого комштекта чувствительных элементов которого соединен с информационным

вхедом первого формирователя управляющих сигналов с 2in выходными каналами, выполненного с возможностью создания на периоде повторяемости 27Т/Р выходного сигнала длительностью, равной в каждом канале 2F 21Т 1

:, 4 () ,

рш рт J где л - коэффициент перекрытия, подключенными к управляющим цепям ключей двухполупериодного преобразог вателя частоты, первый и вторые выводы кличей, соответственно анодной и катодной групп которого объединены в своих группах и обра- щуюг соответственно первый и второй обffl:He выводы двухполупериодного преобразователя частоты, служащие для подключения к источнику питания И между которьми включены последовательно соединенные первые дополнительно управляемый ключ и вентиль, к объединенным выводам которых под- 1слючен общий вывод m секций обмотки якоря, причем второй вывод первого дополнительного ключа соединен с

125943010

вторым общим выводом двухполупериодного преобразователя частоты, а первый дополнительный вентиль подключен встречно по отношению к источнику питания, первое устройство взаимной блокировки, подключеннное к управляющим цепям первого дополнительного управляемого ключа и вентилей анодной группы моста обратного тока, отличающий- с я тем, что, с целью снижения пульсации вращающего момента, он снабжен вторым формирователем управляющих сигналов с управляющим и информационнь м входами, вторыми уп7 равляемьгм ключом и вентилем, вторым и третьим устройствами взаимной блот- кировки, первЬгй формирователь управ ляющих сигналов снабжен управляющим входом, вентили катодной группы моста обратного тока выполнены уп- равляемыми, датчик положения ротора . выполнен с вторым комплектом чувствительных элементов, сдвинутым относительно первого на угол, равный П/2рга, вторые дополнительные ключ и вентиль подключены встречно параллельно соответственно первому дополнительному вентилю и управляемому ключу, второе устройство взаимной блокировки выходом подключено к управляющим цепям второго дополнительного ключа и вентилей катодной группы моста обратного тока, второй формирователь управляющих сигналов выполнен с 2 (га + 1) выходами - каналами с возможностью создания в каж дом канале выходного сигнала длиТГ

го

25

30

35

40

тельностью Ч - на периоде

2

рт

повторяемости, ранной в каждом из первых 2т каналов 21Г/р.

. а в остальных каналах 2ТГ /рш, ин- 4S формаци(- нньй1 вход второго формироват теля управляющих сигналов подключен к выходу второго комплекта чувстви- тельньк злементов датчика положения ротора, первые 2т каналов формирова- 50 теля подключены к управляющим цепям ключей двухполупериодного преобразователя час-оты, а остальные каналы - К входам первого и второго устройств взаимной блокировки, выход третьего устройства -взаимной блокировки подключен к управляющим входам первого и второго фop пipoвaтe.Jleй управляющих сигналов.

55

ТГ

тельностью Ч - на периоде

2

рт

повторяемости, ранной в каждом из первых 2т каналов 21Г/р.

. а в остальных каналах 2ТГ /рш, ин- 4S формаци(- нньй1 вход второго формироват теля управляющих сигналов подключен к выходу второго комплекта чувстви- тельньк злементов датчика положения ротора, первые 2т каналов формирова- 50 теля подключены к управляющим цепям ключей двухполупериодного преобразователя час-оты, а остальные каналы - К входам первого и второго устройств взаимной блокировки, выход третьего устройства -взаимной блокировки подключен к управляющим входам первого и второго фop пipoвaтe.Jleй управляющих сигналов.

55

I125943012

2, Электродвигатель по п. 1, выход которого связан с входом отличающийся тем, что третьего устройства взаимной блоки- снабжен импульсньм модулятооом. ровки.

%

is

oJi

(Jt

rj

%

% UM

%

%

«59 %

Шг

%

% %

,% ,tf69

fS

fJt

JT лЛ

&)t

-

n

-TL

tJt

n

-TL

ofi

n.

-ГТ.

n.

гт

oJt

LrTjn n-rururi

u)t

tz Фиг,2

.З

Фиг. /

Фиг. 5

Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электродвигателям. Цель изобретения - снижение пульсации момента и частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД) . Электродвигатель содержит синхронную машину 1 с трехфазной двухполюсной о(5моткой с общим выводом 2 секций. Секции .обмотки якоря подключены к выходу 3 двухполупериодного преобразователя 4 частоты, выполненного la управляемых ключах 5-10. Три вентиля 11-13 мое-, та обратного тока выполнены управляемыми. ВД содержит датчик 14 положения ротора, который первым комплектом чувствительньтх элементов подключен через первьй формирователь 16 упг равляющих сигналов к управлякицим . цепям 23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты. Устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам 45-47 вентилей 11-13 анодной группы моста обратного тока. Имеется также втррое устройство 53 взаимной блокировки, второй формирователь 58 управляющих сигналов, информационный вход 67 которо- го подключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов датчика 14, смещенного относительно 1сл оо Й Фиг 1

Af.

ffUff

%tt«t

лл

Фиг. 8

Редактор А. Шишкина 1аказ 5135/55

Техред Л.Сердюкова Корректор И, Муска

Тираж 631 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг.9