Устройство для управления вентильным электродвигателем Советский патент 1987 года по МПК H02P6/24 

вателе частоты и потери на гистере- эис и-вихревые токи в двигателе, снижается интервал времени в процессе торможения, на котором происходит потребление энергии из сети. Обеспе«

Изобретение относится к электро- ехнике, в частности к электропривоу, быть использовано в систеах и устройствах, где требуется кстренное торможение, например в поиционном приводе, в приводах роботоехники и т.д., и является усовер- енстзованием изобретения по авт.ев, 1П29368.

Пель изобретения - повьпиение точности останова, надежности и энергетических показателей путем формирования тока вентильного электродвигатег- ля в режиме торможения.

На фиг, 1 приведена блок-схема устройства для управления вент,ь- ным эле с тродвигателем| на фиг. 2-4- варианты вьшолнения датчика тока на фиг, 5 и 6 - варианты вьтолнения блока формирования сигналов правого и левого направления вращения на фиг, V и 8 - эпюры напряжений в узлах блок-схемы.

Устройство для управления вентильным электродвигателем содержит синхронную машину 1 (фиг. 1) с трехсек- ционной якорной обмоткой 2 и индуктором 3, на валу 4 которого установлен датчик 5 положения ротора с тремя выходными каналами 6 - 8 и преобразователь 9 частоты, к вьпсодам )С - 12 которого подключена трехсекцион- ная якорная обмотка 2. Кроме того, вентильный электродвигатель содержит цепи 13-18 управления ключей преобразователя частоты, связанные с выходом трехканального датчика 5 положении ротора через управляемый блок 19 формирования сигналов правого и левого направления вращения, первый управляющий вход 20 которого подключен к выходу 21 логической схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 22, два входа 23 и 24 которой связаны с выходом 25 за- датчика 26 направления врвщения и

чивается рекупераш ;я энергии, запасенной в индуктивности якорной обмот ки днигателл в момент торможения без потребления энергии из сети. 2 з.п,

, в ил.

выходом 27 триггера 28 команд Пуск и Стоп соответств.енно, датчик 29 направления вращения, подключенньй к выходу трехканального датчика 5 по ложения ротора, и трехвходовой формирователь 30 управляющего сигнала на останов, выход 31 которого связан со .вторым управляющим входом 32 блока 19 формирования сигналов правого

и левого направления вращения.

К первому входу 33 трехвходового формирователя 30 управляющего сигнала на останов подключен выход 34 датчика 29 направления вращения, к

второму входу 35 указанного формирователя - выход 21 логической схемы ИСКЛЮЧАЮШЕЕ ИЛИ 22, а к третьему входу 36 - 27 триггера 28 команд Пуск и Стоп, В устройство

нходят датчик 37 тока вентильного ялектродвигателя, первый 38 и второй 39 noporoBbie элементы и двухвходо- ный логический сумматор 40, а блок 19 формирования сигналов правого И левого направления вращения дополнительно снабжен третьим управляющим входом 41, к которому подключен выход 42 первого порогового элемента 38, причем двухвходоный логический

сумматор 40 включен по первому входу 43 и выходу 44 между выходом 31 блока 30 формирования сигнала на останов и вторым управляющим входом 32 блока 19 формирования сигналов правого и левого направления вращения ,вто- рой вход 45 указанного логического сумматора 40 подключен к выходу 46 второго порогового элемента 39, а выход 47 датчика 37 тока вентильного

электродвигат(гля подключен к входам 48 и 49 первого 38 и второго 39 пороговых элементов соответственна,

Датчик 37 {фиг, 2) тока вентильного электродвигателя содержит по

числу секций якорной обмотки 2 три

чувствительных элемента 50 - 52, кадый из которых включен в одну из сеций обмотки якоря 2 синхронной машины. Вьтходы 33 - 55 чувствительных элементов 50 - 52 образуют трехка- нальный выход датчика 37 тока.

Датчик 37 тока вентильного электродвигателя (фиг. 3) может содержать дна чувствительных элемента 56 и 57, первый 56 из которых включен одну из групп ключей преобразовател 9 частоты, например в катодную, а второй 57 - в анодную группу диодов Моста обратного тока преобразовател 9 частоты. Выходы 58 и 59 первого 56 и второго 57 чувствительных элементов подключены к входам 48 и 49 первого 38 и второго 39 пороговых элементов соответственно и образуют двухканальный выход 47 датчика 37 Тока.

Датчик 37 тока вентильного электродвигателя может быть выполнен с одканальным выходом 47 (фиг. 4) и содержать один чувствительный элемент 60, включенный в одну из групп ключей преобразователя 9 частоты, например в катодную.

Последовательно преобразователю 9 частоты с мостом обратного тока включен диол 61 в направлении, согласном источнику 62 питания, причем указанный диод 61 одним выводом 63 подключен к катодной группе ключей преобразователя 9 частоты.

Датчик 37 тока.вентильного электродвигателя может также содержать диод 64, включенный параляельно-пос ледонательно соединенным чувствительному элементу 60 и диоду 61.Диод 63 включен встречно диоду 61, Выход 47 чувствительного элемента 60 является выходом 47 датчика 37 тока вентильного электродвигателя и подключен к входам каждого из пороговых элемен- тов.

Чувствительные элементы датчика 3 Тока вентильного электродвигателя могут быть любого типа, например ре- зистивные или индуктивные с подмаг- ничиванием.

Датчик 5 положения ротора может быть любого типа, например индуктивный с подмагничиванием, В его каналах 6-8 формируются сигналы о положении ротора (индуктора 3) синхронной 1, смещенные для данного случая друг относительно друга на угол 120 эл.град. Длительность каж

0

до1 о сигнала соответствует угловому повороту poTcipa в 180 эл.грал.

Препбрачопатель 9 частоты может быть любог о типа, например однопо- , лупериодный Mjivi двухполупериодный, выполненн1,1й на транзисторах.

Блок 19 фс-г)мнрования сигналов правого и левого направления вращения реализован на базе различных логичес- (0 ких схем, например на трех логических схемах НГ.КЛЮЧАЩЕГ. ИДИ 65-67 (фиг. 5).

При наличии единичного входного сигнала на первом управляющем входе 15 20 сиТнапы с каналов датчика 5 положения ротора через управляемый блок 19 на цепи 13 18 управления ключей преобразователя 9 частоты проходит без изменения. При этом датчик 5 по- 20 ложения ротора установлен в вентильном электродвигателе для обеспечения вращения вправо. При нулевом входном сигнале на первом управляющем входе 19 сигналы с каналов датчика 5 поло- 25 жения ротора инвертируются в логических схемах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИДИ 65-67 блока 19. Это эквивалентно сдвигу датчика 5 положения ротора ка , что обеспечивает реверс вентильного 30 электродвигателя. Сигналы с датчика 5 положения ротора поступают через логические схемы 65-67 на вход управляемого распределителя 68 сигналов, который может быть реализован, 35 Д-п панного случая, в виде дешифратора двоичного трехзарядного кода в позиционный код и шести двухвходовых логических схем.

Управляющий вход распределителя 68 импульсов является вторым управляющим входом 32 блока 19, Отсутствие входного сигнала ка втором управляющем входе 32 запрещает работу управляемого блока 19, и на его цепях 13-18 управления отсутствуют управляющие сигналы, а наличие входного сигнала на управляющем входе 32 разрешает прохождение сигналов с датчика 5 положения ротора на цепи 13-- 15 управ- 0 ления ключей анодной и цепи 16-18 управления ключей катодной групп преобразователя 9 частоты. При этом вен- тш1ьнШ электродвигатель переводится в пассивное торможение отключением.

.

55

Введение третьего управляющего входа 41 и блок 19 предполагает, при наличии на этом входе управляющего сигнала, перевод вентильного электро513Р2/.

иигателя в режим, при котором организуется один ит нутяов динамического торможения. Лля рассматриваемого слу- чая выполнения блока 19 (фиг. 5) перевод будет осуществляться блокировкой управляющих сигналов, поступающих на цепи 13 - 15 управлен ,я ключей анодной группы преобразователя частоты 9, посредством трех логических схем ЗАПРЕТ 69-71,Ю

Для работы устройства с блоком 19 {фиг. 5) порог срабатывания первого порогового элемента 38 должен быть ниже, чем у второго порогового элемента 39. Порог отпускания первого |5 порогового элемента 38 должен быть ниже порога отпускания второго порогового элемента 39

Второй пример реализации блока 19 представлен на фиг. 6, Он выполняется 20 на базе трех логических схем ИСЮЖ)-- ЧАЮВЩЕ ШШ 72-74, на информационные входы которых поступают сигналы с выхода датчика 5 положения ротора, а их управляющие входы объедршены и 25 подключены к выходу четвертой логической схемъ 75 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, первый и второй входы которой являются соответственно первьм 20 и третьим А1 управляющими входами блока 19. С 30 выходов логических схем 72-7А сигналы поступают на вход управляемого распределителя 68 сигналов,, реализованного на базе дешифратора и двухвходовых логических схем. Второй - управляющий вход 32, образованный объединенными вторыми входами логических схем ЗАПРЕТ 69-71 блока 19, связан с цепями 13-15 управления ключей, например, анодной группы преоб- 40 разователя 9 частоты посредством элементов ЗАПРЕТ 76-78, управляющи входом которых он является.

Для работы устройства с блоком 19 (фиг. 6) порог срабатывания перво-- 45 го порогового элемента 38 должен быть вьшзе J чем у второго порогового элемента 39. Порог отпускания первого порогового элемента 38 должен быть выще порога отпускания второго поре- 50 гового элемента 39.

Процесс формирования тока вентиль-- ного электродвигателя в ре:жиме Стоп иллюстрируют эпюры (фиг, 7 и 8) напряжений, индексы при которых соот- 55 ветствуют элементам блок-схемы ,(Фиг. 1).

На фиг. 7 показаны эпюры напряжений в узлах блок-схемы (фиг. 1) при

136

работе предложентюго устройства с Гхпоком 19 (фиг. 5). На фиг. 8 пока- эпюрь напряжений в узлах блок- схемы (фиг. 1) при работе устройства с блоком 19 (фиг. 6).

Устройство с управляемьл-1 блоком 19 (фиг. 5) работает следующим образом.

Предположим, что вентильный электродвигатель на интервале времени врашается, например, вправо, С выхода 27 триггефа 28 команд ГТуск и Стоп поступает сигнал на останов двигателя о При этом управляющий сигнал на первом входе 2П блока 19 изменяет свое значение, и вентильный электродвигатель переводится в режим торможения противовключением. На интервале времени tj-t ток двигателя меняет знак и быстро нарастает под действием согласно включенных напряжения питания и ЭДС вращения. В момент времени t ток двиг ате- ля достигает порога срабатывания первого порогового элемента 38, на третьем управляющем входе 41 блока 9 появляется управляющий сигнал, происходит блокировка управляющих сигналов в логически : схемах ЗАПРЕТ (фиг. 6), поступающих на цепи 13-15 управления ключей анодной группы преобразозателя 9 частоты.

Это переводит вентильный электродвигатель в режим динамического торможения „ Ток двигателя продолжает нарастать на интервапе времени t,-r. менее ийтенсивно, чем на интервале за счет того, что его вызывает только одна ЭДС вращения. В момент времени t4 ток двигателя достигает порога срабатывания второго порогового элемента 39, на втором входе 32 блока 19 появляется управляющий сигнал, все ключи преобразователя 9 частоты закрываются. Ток электродвигателя на интервале времени t. -t.

r Э

быстро спадает через обмотку двигателя,, диоды моста обратного тока и источник питания, который по отношению к этому току включен встречно.

В момент времени ty ток двигателя достигает порога отпускания второго порогового элемента 39, но так как Порог отпускания первого порогового элемента 38 не достигнут двигатель опять переводится в режим динамического торможения. Ток двигателя с момента врем. ни t,. опять нарастает под действием ЭДС йрагяения. Та7

КИМ образом, на интерпале премени вентильный электродвнгатегть

находится в режиме двухпозици нного токового регулирова гия, причем в импульсе регулирования ток двигателя нарастает под действием Э/1С вращения, а в паузе спадает с отдачей запасенной эиepгv и в индуктивности якорной обмотки в сеть. Имеет место периодическая рекуперация энерги1т в сеть. Такой энергетически выгодный режим особенно целесообразно применять в высокоинерпионных электроприводах и электроприводах, питающихся от систем электроснабжения автономных объектов, выполненных с возможностью рекупера1;ии энергии со стороны нагрузки.

В момент времени t, так как ЭДС вращения достаточно снизилась, ток вентильного электродвигателя уменьшается до уровня порога отпускания первого Порогового элемента 38, Происходит изменение уровня управляющего сигнала на третьем управляющем входе А1 блока 19, ключи анодной группы преобразователя 9 частоты разблокируются, и на интервале времени tg-t электродвигатель переводится в режим торможения противовключени- ем. Ток двигателя нарастает под действием напряжения питания и уменьшается вследствие уменьшения ЭДС вращения из-за снижения частоты вращения,

В момент времени t ток двигателя достигает порога срабатывания первого порогового элемента 38, появляется управляющий сигнал на управляющем третьем входе 41 блока 19, и на интервале времени электродвигатель переводится в режим динамического торможения. Так как ЭДС вращения уменьшилась, то она не может обеспечивать дальнейшего нарастания тока двигателя, и ток спадает до порога отпускания первого порогового элемента 38, С момента времени tg процесс повторяется. При этом имеет место периодическое потребление энергии из сети на интервале времени ,. В момент времени t, датчик

29направлет1ия гфшчения фиксирует нулевую частоту вращения, на выходе 31 трехвходового формирователя

30управляющего сигнала на останов появляется запрещающий логический уровень, который, поступая через ло- гическш сумматор АО на второй вход

32 блока 19, отклю-.г.яет веитилм(ый

ЭЛОКТрОЛВН1 ЯТ01Г71 от ИСТОЧНИКП ПИТс 15

0

5

0

ния. Ток в oRN oTKax 2 синхронной машины спадает через мост обратных ди- , одов -и ncTO4HviK питания. Вентильный злектродвигател л останавливается на пыбеге,

Работа устройства с управляемым блоком 19 ((Ьиг, 6) осуществляется

O следующим образом.

Предположим, что вентильный электродвигатель на интервале времени t:,-tj вращается, например, вправо, В момент времени t с выхода 27 триггера 28 команд Пуск п Стоп поступает сигнал на останов двигателя. При этом управляющий сигнал на первом входе 20 блока 19 меняет свое значение, и вентильный электродвигатель переводится в режим торможения противовключением. На интервале вре- мени Ц-tj ток двигателя меняет знак и нарастает под действием согласно включенных напряжения питания и ЭДС

5 вращения, В момент времени t ток двигателя достигает порога срабатывания второго порогового элемента 39, на втором управляющем в ходе 32 блока 19 появляется управляющий сиг0 нал, происходит блокировка управляющих сигналов в логических схемах ЗАПРЕТ 69-71 (фиг.6),поступающих па цепи 13-15 управления ключей анодной группы преобразователя 9 частоты. Это переводит вентильный электродвигатель ь режим динамического торможения. Ток двигателя продолжает нарастать на интервале времени за счет только ЭДС вращения.

В момент времени t ток двигателя достигает порога срабатывания первого порогового элемента 38, на третьем входе 41 блока 19 появляется управляющий сигнал, Сиг налы датчика

j положения ротора в логических схемах ЗАПРЕТ 69-71 инвертируются, что вызывает при их поступлении на пепи 16-18 управления ключей незаблокпро- ванной катодной группы преобразователя 9 частоты коммутацию этих ключей в последовательности, соответствующей двигательному режиму, и ток электродвигателя на интервале времени спадает через обмотку якос ря, ДИОДЫ моста обратного тока и источник питания, который по отношению к этому току включен встречно,

В момент времени 1 ток двигателя достигает порога отпускания пер

Jt

ВОГО noporonrii o г лсментп 38, нп так как порог отпускания пториго гюрпг-п- вого элемента 39 не лпстигнут, двигатель опять переполится. в- режим ля- намичсСКОРО торможрния. Ток двиглтс - ля с моментя времени tj опят, парлс- тает под действием ЭЛС вращения, Ла- лее процесс попторяется. образом, на интервале времени лен- тильный электродвигатель находится в режиме двухпозиционного токового регулирования, причем в импульсе регулирования ток двигателя нарастает под действием ЭДС вращения, а в па-- уэе спадает с отдачей запасенной энергии в индуктивности якорной обмотки в сеть. Имеет место периодическая рекуперация энергии в сеть, Такой энергетически выгодный режим целесообразно применять в нысоко- инерционных электроприводах и электроприводах, питающихся от систем электроснабжения автономнь Х объектов, выполненных с возможностью рекуперации энергии со стороны нагру; - ки.

В момент времени tg, так как ЭДС вращения достаточно снизилась, ток венткпьного электродвигате1гя уменьшается до уровня порога отпускания второго порогового элемента 39. Происходит изменение уровня управляющего сигнала на втором входе 32 блока 19, ключи анодной группы преобразователя частоты разблокируются 5 и на интерв йле времени tg-t электродвигатель переводится в режим торможения противовключением, TQK двигателя нарастает,

В момент времени t ток достигает порога срабатывания второго порогового элемента 39, появляется управляющий сигнал на втором входе 32. блока 19, и на интервале времени ty-tg электродвигатель переводит- ся в режим ди{гамического торможения , Так как ЭДС вращения уменьшилась, то она не может обеспечить дпдьнейгаггс нарастания тока двигателя, и ток спадает до порога отпускания второго порогового элемента 39. С времени f процесс повторяется.

В момент времени t датчик 29 направления вращения фиксирует нулевую частоту вращения, на пьгходе 31 трехвходопого формирователя 30 сигнала на останов появляется запрещающий логический yp ;Befib, который чер(з сумматор 0 п))икпал.л)гтртся к

0

.5

Q j

g

i.-

,t;

.5

0

t i 3 1 n

второму управляюпгему ь-ходу 32 блока 19, отключает ве/-:тильный злектрсхтви- гатель от источника питания. Вентильный элоктродвигат 1ть останавлирает- ся на выбеге.

При TopMOTKefmM вентильного электродвигателя, врашяющегося влево, процессы в предложеь яом устройстве протекают аналогично.

Процесс пуска вентильного электродвигателя с предложенным устройством управления происходит так же с фстрмированием тока. Это предохраняет кл.гочи преобразователя частоты от перегрузок и защищает постоянный магнит индуктора от размагничивания. Ес:ли при пуске ток электродвигателя достигает уровня срабатывания порогового элемента 38 (39), то происходит закрытие ключей одной из групп преобразователя 9 частоты. Ток двигателя через открытый ключ и соответствующий диод моста обратного тока спадает до порога отпускания порогового элемента 38 (39), и процесс торяется.

Повышение точности останова и надежности вентильного электродвигате- .пя обеспечивается за счет стабили- залши тормозного момента путем формирования тока вентильного электро- дгшгателя при торможении. Это позвр- .пяет повысить точность Прогнозирования выбега ротора вентильного электродвигателя после поступления команды Стоп и обеспечивает остановку его в заданной точке.

Таким образом, имея в каждый момент времени при торможении информацию о частоте врашения, можно в каждом конкретном случае определить время Торможения и угловое положение ротора вентильного электродвигателя пр;: останове,

Формирование тока вентильного электродвигателя позволит снизить частоту KOMb-iyTauHVi силовых ключей в режиме двухпсзиционного токового регулирования. Это позволит снизить динамические потерн в ключах преобразователя частоты и потери на гистерезис и вихревые 7гоки в синхрон- ной машине.

Повышение энергетических показателей в устройстве обеспечивается за счет значительного сокращения vsHTep- ряла времени в процессе торможения, }-.а котором происходит потребление

1

энергии из сети. Кроме того, на интервале времони, когда торможение происходит без потребления из сети, устройство обеспечивает периодическую рекуперацию энергии, запасенной в индуктивности якорной обмотки синхронной машины, в сеть.

Формула изобретения

1. Устройство для управления вентильным электродвигателем по авт.св. № 1029368, отличающееся тем, что, с целью повышения точности останова, надежности и энергетических показателей путем формирования тока вентильного электродвигателя в режиме торможения, в него дополни- .тельно введены датчик тока вентильного электродвигателя, первый и второй пороговые элементы и двухвходо- вый логический сумматор, а блок формирования сигналов правого и левого направления вращения дополнительно снабжен третьим управляющим входом, к которому подключен выход первого порогового элемента, причем двухвхо- довый логический сумматор включен по первому входу и выходу между выходом блока формирования сигнала на останов и вторым управляющим входом

o

5

0

5

0

12 блака формирования сигналов правого

и левого направления вращения, второй вход указанного логического сумматора подключен к выходу второго порогового элемента, а выход датчика тока вентильного электродвигателя подключен к входу каждого пороговогб з-лемента.

2.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик тока вентильного электродвигателя содержит п чувствительных элементов, каждый из которых включен в одну иэ секций обмотки якоря вентильного электродвигателя, выходы чувстзитель- ньгх элементов образуют п-канальный выход датчика тока.

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик тока вентильного электродвигателя содержит два чувствительных элемента, первый из которых включен в одну из групп ключей преобразователя частоты, например в катодную, а второй в анодную группу диодов моста обрат- ного тока преобразователя частоты, выходы первого и второго чувствительных элементов образуют двухканальный выход датчика тока.

Я- П /# u

-i

47

«

21; 36 20; 21 3f,43 .j;;44

«/,42

6 7 8

LLZ.l

47

.

f t, tj t is

Редактор В. Ланко

Составитель М. Сон Техред М.Ходанич

Заказ 1223/55 Тираж 661Подписное

ВНИИШ Государственного комитета СССР

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

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

9 иг. В

ie 7 S

Корректор Н. Король

Изобретение отьосхтчт к : ротехяике, является усов Бтпанс киём ::зобрете;ч1;я по а - с , г ,29 1 И ZI.L I 4- . Л: Х| I п h г -. - i; 4 F i Г JiSdkfe;jSТП. ЗИ Г-1ОН:того ехни по- ;iHJiejR4oc . что - :ie - THj;b- . :)ч-. датчик (ПЭ) -);ич сум- ,v ЧХ ГЧТ ЯНИЙ l/ff; Г : ifr-- - - °- рД о fe L Nsn-s s