Управляемый вентильный электродвигатель Советский патент 1988 года по МПК H02K29/06 H02P6/00 

ia50

оо ю сд

О5

11

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автоматизированном электроприводе.

Целью изобретения является снижение массы и габаритов вентильного электродвигателя.

На фиг. 1 изображена схема управляемого вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - структурная схема датчика положения ротора и угловые диаграммы его сигналов; на фиг. 3 - схема релейного регулятора тока; на фиг. 4 - схема элемента временной задержки; на фиг. 5а и б - эквивален ные схемы дешифратора для трех режимов работы; на фиг. 6 и 7 - диаграммы изменений тока электродвигателя.

Управляемый вентильный электродвигатель содержит электромеханический преобразователь 1 (фиг. 1), коммутатор 2, включающий в себя три ветви, каждая из которых образована двумя последовательно соединенными транзисторами 3, 4 (5, 6 и 7,8), шунтирован ными обратными диодами 9-14 и подключенными параллельно между шинами цепи питания постоянного напряжения, а общей точкой транзисторов 3, 4 (5, 6 и 7, 8) каждой ветви - к одной из секций якорной обмотки электромеханического преобразователя 1, шести канальный датчик 15 положения ротора выход которого подключен к одним управляющим входам формирователя 16 сигналов управления, содержащего трехканальный реверсор противофазных каналов датчика положения на логических элементах 17-20 и шесть логических элементов 2И 21-26. Каждый выход реверсора соединен с первым входом соответствующего логического элемента 2И 21-26, выходы которых подключены к управляющим входам транзисторов

3-8 коммутатора 2. Вторые входы чет-

ных и нечетных логических элементов

22, 24 и 26 (21, 23 и 25) соответственно объединены и образуют другие управляющие входы формирователя 16 сигналов управления. В каждую цепь ветви коммутатора включен один из датчиков 27-29 тока.

Электропривод содержит релейный регулятор 30 тока, подключенный одним из двух выходов к первому управляющему входу формирователя 16, а входами - к блоку 31 задания и дешиф ратору 32. Дешифратор 32 содержит три быстродействующих ключа 33-35,

Q 5

0 5 О Q

.

3

5

0

5

162

каждый из которых подключен к выходу соответствующего датчика 27-29 тока. В вентильный электродвигатель введены три элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36- 38, элемент 39 временной задержки, операционный усилитель 40 с резистив- ной обратной связью, быстродействующий ключ 41 и резистивный трехплече- вой мост 42, каждое плечо которого образовано двумя последовательно соединенными резисторами 43, 44 (45, 46 и 47, 48). Первые входы элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36-38 подключены к первым выходам соответствующих каналов реверсора, вторые входы объединены с управляющим входом введенного быстродействующего ключа 41 и с управляющим входом 49 формирователя 16 сигналов управления, а выходы подключены к управляющим входам быстродействующих ключей 33-35 дешифратора 32. Коммутирующие выводы введенного быстродействующего ключа 41 подключены между прямым входом операционного усилителя 40 и общим вьшодом. Элемент 39 временной задержки включен между вторым выходом регулятора 30 тока и управляющим входом 49 формирователя 16. Выход каждого из трех быстродействующих ключей 33-35 подключен к общей точке резисторов 47, 48 (45, 46 и 47, 48) одного из плеч резистивного моста 42, включенного между прямым и инвертирующим входами операционного усилителя 40, выход последнего является выходом дешифратора 32.

Вход 50 формирователя 16 служит для подачи сигнала нулевого уровня.

Регулятор 30 тока составлен из двух пороговых элементов 51 и 52 и блока 53 сравнения.

Управляемый вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При указанном положении сигнального сектора 54 (фиг. 2) будут возбуждены чувствительные элементы каналов а и с и на их выходах появятся единичные сигналы. Единичные сигналы каналов а и с проходят без изменений через каналы реверсора на логических элементах 17 и 18 формирователя 16 сигналов управления, так как на вход 50 подан сигнал нулевого уровня, и поступают на первые входы логических элементов 21 и 26. Одновременно под действием отрицательного напряжения - и блока 31 задания пороговые элемен31372516

ты 51 и 52 релейного регулятора 30и разомкнут при наличии нулевого сиг- тока (фиг. 3) переводятся в единич-нала, а ключ 41 - наоборот, ное состояние по выходам. Единичный Через открытые транзисторы 3 и 8 сигнал с выхода порогового элементакоммутатора напряжение источника пи- 51 подается непосредственно На одинтания прикладывается к фазам С и А из управляющих входов формирователяякорной обмотки электромеханического 16 сигналов управления, с выхода по-преобразователя 1. Данному состоянию рогового элемента 52 через элементкоммутатора присвоим (по числу откры- 39 временной задержки - на управляю- ю транзисторов) название Режим щий вход 49 формирователя- 16 сигналовдва. Под действием напряжения источ- управления. При этом сигналы на ука-ника питания ток в фазах С и А начи- занных входах появляются одновремен-нает линейно возрастать. Напряжение, но с переключением пороговых элемен-пропорциональное току в этих фазах, тон, так как элемент 39 временной isснимается с резистивного датчика 29 Зсщержки создает паузу по выходу толь-тока и подается без изменений на перко при переходе уровня сигнала навый вход релейного регулятора 30 то- его входе с единичного в нулевойка. Сигналы на входах релейного ре- (фиг. 4). Единичные сигналы на управ-гулятора 30 тока имеют противополож- ляющих входах формирователя 16 пос- полярность, поэтому происходит тупают на вторые входы логическихих вычитание. По мере роста тока уве- элементов 2И 21-26. В результате раз-личивается сигнал с датчика тока и решается прохождение сигналов с пер-наступает момент, когда разность вых входов логических элементов 2Исигналов с датчика 29 тока и блока 21-26 на их выходы без изменений. В 2531 задания становится равной нулю, данном случае единичные сигналы поа затем изменяет свой знак и увели- цепям а и с появляются на выходе ло-чивается до уровня отключения первого гических элементов 21 и 26, поступаютпорогового элемента 51. Первый порого- на управляющие входы а и с транзистор-вый элемент 51 переходит в нулевое ных ключей 8 и 3 коммутатора 2. Одно- зосостояние по выходу. Второй пороговый временно единичный сигнал а с первогоэлемент 52 не изменяет своего состоя- выхода канала реверсора на логическомния, так как он имеет более высокий элементе 17 поступает на первый входуровень отключения за счет положитель- элемента ЭКВИВАЖНТНОСТЬ 36 дешиф-ного смещения.

ратора 32. На втором входе элемента Под действием нулевого сигнала с ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36 присутствует еди- выхода первого порогового элемента 51 ничный сигнал, и выход последнего пов-запрещается прохождение единичного торяет входной сигнал. Быстродейству-сигнала по цепи с через логический ющий ключ 35 замыкается, подключаяэлемент 26 формирователя сигналов уп- выход резистивного датчика 29 тока JQравления на управляющий вход транзис- к входам операционного усилителя 40торного ключа коммутатора 2, и пос- через резисторы 43 и 44. Быстродейст-ледний закрывается. Силовая схема вующий ключ 41 переведен в разомкну-изменяется, принимая вид, условно тое состояние единичным сигналом наобозначенный как Режим один (по его управляющем входе, а быстродейст- .количеству открытых транзисторых клю- вующие ключи 33 и 34 разомкнуты нуле-чей коммутатора) . Ток фаз С и А выми сигналами на их управляющих вхо-замыкается по цепи транзисторный дах, поступающими с датчика 15 черезключ 8 - два резистивных датчика 29 реверсор и элементы ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬи 27 тока - обратный диод транзистор- 37 и 38. При данном состоянии ключейного ключа 4.Ток фаз начинает уменьшать- операционный усилитель 40 выполняется по величине для случая двигатель- функцию повторителя напряженияного режима. Переключение порогового (фиг. 5а). В результате сигнал с дат-элемента 51 регулятора 30 тока не чика 29 тока передается на вход ре-приводит к изменению состояния дешиф- лейного регулятора 30 тока без изме-ратора 32. Поэтому на вход регулято- нений формы и знака. Здесь и далеера 30 тока подается сигнал с резис- любой из быстродействующих ключей 35,тивного датчика 29 тока. Через неко- 33, 34 замкнут при наличии единично-торый промежуток времени наступает го сигнала на его управляющем входемомент, при котором ток в якорной

равный (- -

51

обмотке снизится до такой величины, когда на входе первого порогового элемента 51 разность сигналов принимает нулевое значение. Затем эта разность изменяет свой знак и начинает увеличиваться до уровня срабатывания порогового элемента. Первый пороговый элемент 51 переключится в единичное состояние по выходу, и силовая схема принимает состояние Режим два. Далее процессы повторяются в описанной последовательности В результате ток в фазах А и С якорной обмотки ограничивается на уровне заданного с пульсацией (фиг. 6), пропорциональной глубине положительной обратной связи усилителя, выполняющего функции первого порогового элемента 51. При взаимодействии тока в фазах А и С якорной обмотки с полем индуктора возникает вращающий момент, и ротор начинает поворачиваться в заданном направлении. После поворота ротора на угол,

), сигнальный сектор 54 начинает возбуждать чувствительный элемент канала в и одновременно снимает возбуждение с чувствительного элемента канала а. При этом единичный сигнал на входе элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36 сменяется нулевым а нулевой сигнал на входе элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 37 - единичным. Сигналами с выходов этих элементов закрывается ключ 35 и открывается ключ 34. Через открытый ключ 34 сигнал с выхода резистивного датчика 28 тока подается, на входы операционного усилителя 40 через резисторы 45 и 46 и с его выхода поступает на вход регулятора 30 тока без изменений формы и знака.

В процессе коммутации фаз А и В якорной обмотки ток в подключаемой фазе В возрастает с нулевого значения. Следовательно, в момент коммутации сигнал с датчика 28 тока равен нулю и на входах пороговых элементов 51 и 52 регулятора тока устанавливаются такие уровни напряжения, что последние переключаются в единичное состояние по выходу и переводят силовую схему в Режим два независимо от предыдущего ее состояния (открываются ключи 6 и 3 коммутатора). Данное обстоятельство обеспечивает оптимальный процесс коммутации тока в фазах с минимальным временем. При

372516 6

достижении током фазы В заданного зна чения происходит переключение первого порогового элемента 51 в нулевое состояние по выходу.

5 Последующая работа устройства аналогична описанной для фазы А якорной обмотки.

Через последующие - радиан поворо

та ротора оказываются возбужденными чувствительные элементы каналов а и с датчика 15 и снимается возбуждение с чувствительного элемента канала в. В соответствии с этими сигналами раз- мыкается быстродействующий ключ 34 и замыкается ключ 33 дешифратора 32. Сигнал, пропорциональный току фазы С, подается через ключ 33 и операционный усилитель 40 на вход регулятора 30 тока. Работа устройства в период подключения под нагрузку фазы С аналогична изложенному для фаз А и В. После очередного поворота ротора

5

0

5

0

5

0

5

на :г радиан вновь вступает в работу

фаза А. Переключение силовых ключей 3, 5 и 7 коммутатора происходит в интервалах между переключениями силовых ключей 4, 6 и 8. На работу дещифрато- ра 32 эти переключения не влияют и поэтому подробно не рассматриваются. Циклические переключения фаз неоднократно повторяются, и двигатель разгоняется до установившейся частоты вращения.

Если в процессе разгона или на установившейся частоте вращения будет изменена величина задающего сигнала, то рассмотренная последовательность переключений элементов устройства будет им.еть несколько измененный порядок. Рассмотрим процесс переключений элементов устройства при скачкообразном изменении задающего сигнала. Пусть при состоянии силового коммутатора 2 Режим один будет уменьщего задающее напряжение (фиг. 6, с,). Соответственно с этим разность сигналов на входах пороговых элементов 51 и 52 увеличится до уровня переключения второго порогового элемента 52, и последний переключится в нулевое состояние- по выходу.

Через небольшую выдержку времени, определяемую элементом 39 временной задержки, нулевой сигнал появится на управляющем входе 49 формирователя, вторых входах элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36-38 и управляющем входе клю11

ча 41. Для определенности изложения будем считать, что в предыдущем режиме был открыт транзисторный ключ 4 коммутатора 2, Нулевым сигналом по входу 49 транзисторный ключ 4 начинает закрываться. Одновременно переключаются элементы ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 38 - в нулевое состояние по выходу, а 36 и 37 - в единичное. При этом быстродействующий ключ 33 закрывается, а ключи 34 и 35 открываются. Кроме того, замыкается четвертый ключ 41. Сигналы с датчиков 28 и 26 тока через ключи 35 и 34 и резисторы 43 и 45 подаются на инвертирующий вход операционного усилителя 40 (фиг. 7). Операционный усилитель 40 выполняет в данном случае функции инвертирующего сумматора, так как ключ 41 замыкает его прямой вход на общую точку устройства. Пусть в предыдущем Режиме один ток протекал по фазам А и С и по датчикам 27 и 29 тока и имел на них противоположную полярность. Поэтому переключение цепей съема тока с датчика 27 на датчики 28 и 29 тока с последующим инвертированием сигнала обеспечивает полное повторение сигнала по току на входе релейного регулятора 30 тока. Через некоторое время т-ранзисторный ключ 4 полностью закрывается. При этом все транзисторные ключи коммутатора 2 оказываются закрытыми, а ток, протекающий в фазах А и С, замыкается через обратные диодыРтразисторных ключей 8 и 3 и резистивный датчик 29 тока в цепь источника постоянного напряжения. Состояние силовой схемы, когда закрыты все.транзисторные ключ коммутатора, обозначим Режим ноль.

Происшедший переход силовой схемы из Режима один в Режим ноль с небольшой задержкой не повлиял на процесс выделения тока дешифратором 32, так как в обоих режимах ток фаз А и С протекал через датчик 29 тока, а дешифратор 32 заранее осуществил переключение цепей съема с датчика 27 тока датчики 28 и 29 тока.

В Режиме ноль ток в фазах А и С

интенсивно уменьшается, так как направлен встречно напряжению источника питания. При снижении тока до вновь

заданной величины происходит включе- ние второго порогового элемента 52 в единичное состояние по выходу с последующим переходом схемы в Режим один.

д 5 0 5 о Q

5

5

16 8

Темп снижения тока уменьшается. Через некоторое время ток снизится до такой величины, при которой переключится в единичное состояние первый пороговый элемент 51, и силовая схема примет состояние Режим два.

В Режиме два ток вентильного двигателя будет линейно нарастать до следующего переключения и перехода схемы в Режим один. При этом величина тока фаз будет соответствовать новому заданию, относительно которого ток пульсирует с амплитудой пульсаций, пропорциональной величине гистерезиса пороговых элементов.

Следует отметить, что переход схемы с Режима ноль в Режим один сопровождается включением соответствующего транзисторного ключа коммутатора и одновременным с ним переключением цепей съема тока в дешифраторе 32. Данньш процесс не вносит искажений в выходной сигнал дешифратора, так как процесс включения любого транзисторного ключа составляет доли микросекунд и, как правило, на порядок и более меньше длительности задержки на его выключение.

Если момент изменения задающего напряжения в сторону уменьшения приходится на состояние силовой схемы Режим два, то последовательность переключений элементов в устройстве будет иметь несущественные отличия

(фиг. 6, Cj). I

За счет временной задержки, определяемой элементом 39 временной задержки, схема вначале перейдет в Режим один на время, равное продолжительности задержки. При этом ток фаз, например, А и С, протекающий только по датчику 27 тока (Режим два), начнет протекать через датчики 29 и 27 тока (Режим один). Поэтому последующий переход силовой схемы из Режима один в Режим ноль произойдет без искажений сигнала на входе регулятора тока в описанной последовательности .

Выдержка времени, определяемая элементом 39. временной задержки, выбирается минимально возможной, за которую силовой коммутатор 2 гарантированно успеет перейти из Режима два в Режим один.

Существующее многообразие режимов работы электродвигателя, в конечном счете, сводится к чередованию трех

основных режимов (Режим два, Режим один и Режим ноль). Поэтому кратко рассмотрим тормозной режим. Будем считать, что двигатель враща- ется производственным механизмом в направлении, обратном рассмотренному, При включении силовой и управляющей части схемы под напряжение коммутатор принимает состояние Режим два. Ток в фазах, допустим А и С, под действием ЭДС электродвигателя и напряжения источника питания, направленных согласно, резко начинает возрастать.

инвертирующего сумматора, так как четвертый ключ 41 замыкает его прямой вход на -общий вьшод. В предыдущем Режиме один ток протекал по фазам А и С и по датчикам 27 и 29 тока и имел на них противоположную полярность. Поэтому переключение цепей съема тока с датчика 27 на датчики 28 и 29 токае последующим- инвертированием сигнала обеспечивает полное повторение сигнала по току на входе релейного регулятора 30 тока. Через некоторое время транзисторный ключ 4 пол

Изобретение относится к электротехнике. Цель изобретения - снижение массы и габаритов, указанная цель достигается введением в управляемый вентильный электродвигатель элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 36-38, элемента задержки 39, операционного усилителя (ОУ) 40 и управляющего ключа 41 и резистивного трехплечевого моста 42. Мост 42 включен между ключами 33-35 дешифратора 32 и входами ОУ 40, выходом подключенного к входу регулятора тока 30. Ключ 41 включен между прямым входом ОУ 40 и общей шиной, а по управляющему входу связан с управляющим входом формирователя 16 сигналов управления и через элемент задержки 39 - с выходом регулятора тока 30. В результате во всех режимах работы электродвигателя обеспечивается выделение модуля его тока, что приводит к уменьшению числа переключений транзисторов коммутатора 2 и снижению выделяемой ими мощности. 7 ил. с S (Л

Сигнал, пропорциональньпй току в фазах,15 ностью закрывается, а ток, протекаюснимается с датчика 28 тока и через замкнутый быстродействующий ключ 33 подается на вход операционного усилителя 40 и без изменения полярности и

формы с выхода последнего подается на 20 Под действием встречно приложенного

вход релейного регулятора 30 тока. При достижении током порога переключения первого порогового элемента 51 происходит переключение последнего в нулевое состояние по выходу, и силовой коммутатор 2 переходит в Режим один. При этом состояние дешифратора 32 не изменяется. Так как в тормозном (генераторном) режиме электрической машины ЭДС в фазах совпадает 30 ном) режиме. Следует отметить, что по направлению с током, в Режиме задержка, определяемая элементом 39

напряжения источника питания ток в ф зах будет снижаться и при определен ном значении тока переключится втор пороговый элемент 52 в единичное со 25 тояние по выходу, и схема вновь перейдет в Режим один. Чередование режимов (Режим один, Режим ноль обеспечивает ограничение тока на ур не заданного в тормозном (генератородин рост тока будет продолжаться. Через некоторый интервал времени, ток в фазах увеличится до такой величины что переключится второй пороговый элемент 52 в нулевой сигнал по выходу, но схема не изменит своего состояния на время, определяемое элементом 39 временной задержки, и рост тока несколько продолжится (фиг. 7). Через определенный интервал времени единичный сигнал на выходе элемента временной задержки сменится нулевым и устройство примет состояние Режи ноль. Нулевым сигналом по входу 49 начинает закрываться транзисторный ключ 4. Одновременно переключаются элементы ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 38 - в нулевое состояние по выходу, а 36 и 37 - в единичное. При этом закрывается быстродействующий ключ 33 и открываются быстродействующие ключи 35 и 34 дешифратора 32. Одновременно замыкается ключ 41. Сигналы с датчиков 28 и 29 тока через ключи 35 и 34 и резисторы 43 и 35 подаются на инвертирующий вход операционного усилителя 40 (фиг. 7). Операционный усилитель выполняет в данном случае функции

щий по фазам А и С, замыкается через обратные диоды транзисторных ключей 8 и 3 и резистинный датчик 29 тока в цепь источника постоянного напряжения.

ном) режиме. Следует отметить, что задержка, определяемая элементом 39

напряжения источника питания ток в фазах будет снижаться и при определенном значении тока переключится второй пороговый элемент 52 в единичное сос- тояние по выходу, и схема вновь перейдет в Режим один. Чередование режимов (Режим один, Режим ноль) обеспечивает ограничение тока на уровне заданного в тормозном (генератор0

временной задержки, не оказывает существенного влияния на электромагнитные процессы, так как ее продолжитель- ность составляет около 0,01-0,001 от периода пульсаций тока в обмотке электродвигателя.

Рассмотрим процесс переключений элементов устройства при скачкообразном изменении задающего сигнала. Пусть при состоянии силового коммутатора 2 Режим один будет уменьшено задающее Напряжение (фиг. 7, с,). Соответственно с этим разность сигналов на входах пороговых элементов 51 и 52 увеличится до уровня переключения второго порогового элемента 52 и последний переключится в нулевое состояние по выходу. При этом состояние схемы не изменится на промежуток времени, определяемый элементом 39 задержки времени, и ток будет продолжать нарастать в Режиме один. Через определенное время элемент 39 задержки времени переключится в нулевое состояние по выходу и устройство перейдет в Режим ноль. Переключения, происходящие в схеме в этом случае, аналогичны описанным.

5

5

13725

Таким образом, в управляемом вентильном электродвигателе выделяется модуль тока электромеханического преобразователя во всех режимах работы. Это позволяет расширить область его применения. Одновременно исключаются дополнительные переключения транзисторных ключей коммутатора, что позволяет снизить выделяемую ими мощность, ю а значит,-массу и габариты коммутатора.

Формула изобретения

Управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь, коммутатор, состоящий из трех ветвей, каждая из которых образована двумя последовательно соединенными транзисторами, шунтированными обратными диодами, и включена между шинами цепи питания постоянного напряжения, а общая точка транзисторов каждой ветви соединена с одной из секций якорной обмотки электромеханического преобразователя, шестиканальный датчик положения ротора, выходы которого подключены к одним управляющим входам формирователя сигналов управления, включающего в себя трехканальный реверсор противофазных каналов датчика положения ротора и шесть логических элементов 2И, первые входы которых подключены к соответствующим выходам указанных реверсоров, выходы логических элементов 2И - к управляющим входам транзисторов коммутатора, объединенные вторые входы четных логических элементов 2И и объединенные вторые входы нечетных логических элементов 2И образуют другие управляющие входы

1612

формирователя сигналов vпpaвлeния, три датчика тока, каждый из которых включен в одну из ветвей коммутатора между транзистором и одной из шин питания, релейный регулятор тока, одним выходом подключенный к первому управляющему входу формирователя сигналов управления, а входами - к блоку задания и дешифратору, составленному из трех ключей, подключенных к выходам датчиков тока соответственно,

отличающийся

тем.

что, с целью снижения массы и габаритов, введены три элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, элемент временной задержки, операционный усилитель с резис- тивной обратной связью, ключ и резис- тивный трехплечевой мост, первые входы элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ подключены к первым выходам соответствующих каналов упомянутого реверсора, вторые входы элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ объединены с управляющим входом введенного ключа и вторым управляющим входом формирователя сигналов управления, а выходы элементов ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ подключены к управляющим входам ключей дешифратора, коммутирующие вьшоды введенного ключа подключены между прямым входом операционного усилителя и общим выводом, элемент временной задержки включен между вторым выходом регулятора тока и вторым управляющим входом формирователя сигналов управления, выход каждого ключа дешифратора подключен к общей точке резисторов соответству - ющего ключа резистивного моста, включенного между прямым и инвертирующими входами операционного усилителя, выход последнего является выходом дешифратора.

фиг.3

(риг.

Редким два Ре)ним ooiM

S Г131 пзг

fмши I II

I-CD-1-Г

liS

ui

I уa

|L.CD-b-J

II

фиг. 5

Фи2.6

f-зад it

П31 П32 пзг

«,/

зод. tsaff. W saf ijoff tjad зад. S

/r

ф//г 7

ф//г 7