Управляемый вентильный электродвигатель Советский патент 1988 года по МПК H02K29/06 H02P6/10 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным элёк- грическим машинам и может быть испо- Льзовано в составе высококачественных

ристем автоматизированного электро- |1ривода .

; Целью изобретения является повы- ение коэффициента использования двигателя и равномерности частоты враще- 1ИЯ, уменьшения пульсдций мгновеннот о значения электромагнитного момента в режиме импульсного ограничения тока. .

На фиг. 1 изображена блок-схема .(предлагаемого управляемого вент ильно- электродвигателя; на, фиг, 2 - электрическая схема одного канала реверса; на фиг, 3- конструкция датчика положения; на фиг,- 4 - угловые диаг- аммы датчика положения ротора; на (1)иг. 5 - электрическая схема дешифри- 1 ующвго устройства; на фиг, 6 - электрическая схема релейного регулятора фока; на фиг,. 7 - временные диаграммы Изменений токов, и ЭДС секциях якорной фбмотки; на фиг, 8 - 10 - эквивалент-- Аые схемы силовой части электродвигателя для режима динамического тор- гюжения, для процесса коммутации, ЛЭТЯ двигательного режима,

Управляемый вентильный электродвигатель содержит трехфазную синхронную ; лектрическую машину 1, датчик 2 положения ротора, транзисторньй 1 атор 3, состоящий из трех в.етвей, (|)бразованных каждая двумя последовательно соединенными транзисторами 4- , шунтированными обратными диодами., li подключенных параллельно между лер- «ой и второй шинами цепи питания пос- li oHHHoro напряжения, а общей точкой транзисторов каждая ветвь подключена к одной из секций якорной обмотки. Датчик 2 положения ротора соединен йвоими .выходами с управляющими входа- iш транзистор ов коммутатора 3 через формирователь 10 сигналов управления, содержащий трехканальный реверсор 11- 13 с каналами и инвертором 14 и шесть тгогических элементов 2 И 15-20, первые входы которэгк соединены с .выхода- (и реверсора, а вторые входы объедине- р1ы в две управляющие цепи транзисторный коммутатор 3 через три резис.тивньгх датчика 21-23 тока подключен к соответствующей шине источника питания. Вентильный электродвигатель сод.ер- jtOiT релейный регулятор 24 тока, под

.

ключенный одним выходом к управлянчце- му входу формирователя 10 сигналов утфавления, а первым из двух входов - ,к задающему блоку 25. Дешифратор 26, информационными входа1чи подключенный к выходу формирователю 10, образованному выходами логических элементов 2 И 15-20. Сигнальные входы дешифратора подключены к датчикам 21-23 тока, а выходом дешифратор 26 подключен к второму входу регулятора 24 тока. Дополнительно управляемый вентильный электродвигатель содержит три дифференциатора 27-29 логические элементы 3 ИЛИ-НЕ 30, 2 ИЛИ-НЕ 31, 2 ИЛИ 32,. ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 33, мн- §ертирующий усилитель 34, компаратор 35, транзисторный ключ 36, и RC-цепь 37 с конденсатором 38 и резистором 39,- соединенных между собой по.следовательно. .Входы дифференциаторов 27-29 подключены к вторым вхо- |дам реверсоров 11-13 соответствующих каналов формирователя .10 сигналов управ.дения,, а выходы дифференциаторов 27-29 прдклк5чены к входам логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 30. Выход логического элемента 30 подключен к одному из .входов -логического элемента 2 ИЛИ-НЕ 31, второй которого 7 подключен к выходу логического эле- мента ЭКВ.ИВАЛЕНТНОСТЬ 33, -входы которого подключены к выходам релейного регулятора 24 тока. Последовательная RC-цепь, 37 включена между источ- НИКОМ положительного напряжения и общей шиной, при этом средняя точка КС-цепи 37 подключена к инверсному входу компаратора 35, Прямой вход компаратор а, 35 подключен к вькоду дешифратора 26 черезинвертирующий усилитель 34, а выход-компаратора 35 подключен к одному из входов логического элемента 2 ИЛИ 32, ,включенного по второму входу и выходу между одним из выходов релейного регулятора 24 тока, и ..одним из управляющих входов формирователя 10 сигналов управления. Транзисторный ключ 36 комт утационньг- ми выводами подключен параллельно конденсатору 38 RC-цепи 37, а управляющим выводом - к выходу логического элемента 2 ИЛИ-НЕ 31.

Дешифратор 26 (фиг, 5) служит для выделения модуля тока синхронной машины 1 и включает в себя первьш 40 и второй 41 суммирующие усилители соответственно с тремя и четырьмя

входами, четыре быстродействующих ключа 42-45 и логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 46, выход каждого из датчиков 21-23-тока подключен.к одному из входов суммирующих усилителей 40 и 41 к второму - через ключ, а к первому- непосредственно, выход первого уси- Яителя 40 соединен с четвертым входом второго усилителя 41 через четвертый ключ 45, управляющий вход каждого из трех первьтх ключей 42-44 соединен с управляющим входом одного из транзисторов коммутатора 3, соединенного с датчиком тока, а управляющий вход четвертого ключа 45 связан с управляющими входами транзисторов 5, 7 и 9 через логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 46,

Формирователь 10 сигналов управления предназначен для обработки выходных сигналов датчика 2, Противофазные сигналы а и а датчика 2 через реверсор 11 (фиг, 2) поступают на первые входы логических элементов

цесса коммутации; ut - время тации,

Управляемый вентильный электродви- гатель работает следующим образом.

Исходное положение yp сигнального сектора относительно обоймы с чувствительными элементами показано на фиг. 3. Рассмотрим случай подачи

на вход управления формирователя 10 сигналов управления нулевого сигнала и задания положительного напряжения на втором входе регулятора 24 тока посредством задающего устройства 25.

При указанном положении сигнального сектора на выходах чувствительных элементов датчика 2 появляются единичные сигналы а и с (фиг, 3). Единичные сигналы возбужденных элементов а с по цепям связи проходят t. без изменения через реверсоры 11 и 13 формирователя 10 и поступают на первые входы логических элементов 15 и 20. Одновременно под воздействием

Изобретение относится к электро- технике и может быть использовано в системах автоматизированного привод да. Целью изобретения является повышение .коэффициента использования двигателя и равномерности частоты вращения путем уменьшения пульсаций мгновенного значения электромагнитного момента в режиме ограничения тока. С этой целью в управляемый вентильный электродвигатель введены диффе53 ренциаторы 27, 28, 29, входами соединенные с вторьп выходами реверсоров 11, 12, 13 формирователя 10 сигналов управления,, а выходами - с входами логического элемента (ЛЭ) 3 ИЛИ-НЕ 30. Выход последнего подключен к одному Ъхрду ЛЭ 2 ИЛИ-НЕ 31, второй вход которого соединен с выходом элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 33, включенного на выходе регулятора тока 24. Выход ЛЭ 2 ИЛИ-НЕ 31 соединен с базой транзистора 36, шунтирующего, конденсатор 38 RC-цепи 37. Средний вывод КС-цепи 37 связан с инверсным входом компаратора 35, прямой вход которого соединен с выходом дешифратора 26 через усилитель 34. Выход компаратора соединен с ЛЭ 2 ИЛИ 32, включенным между выходом регулятора тока 24 и , управляющим входом формирователя 10. В результате устраняется полностью влияние режима динамического торможения на процессы переключения транзисторов верхней группы коммутаторов. 10 ип. а $ W 1 о ь& tmA tsd IM

2И 15 и 16, а выходы последних непос-25 положительного напряжения U задающего устройства 25, операционные усилители 47 и 48 регулятора 24 тока переводятся в единичное состояние по их выходам. Единичные сигналы с

редственно или через промежуточнью : усилители .соединены с управляющими | цепями транзисторов 8 и 9 соответственно. Вторые входы логических схем 2И 15-20 объединены в две управляющиезо выхода усилителя 47 через логический цепи, первая из которых подключена элемент 2ИЛИ 32 поступают по первой

управляющей цепи на вторые вх;оды логических элементов 2И 16, 18 и 20, а с выхода усилителя 48 непосредственк второму выходу регулятора 24 тока, а вторая - к логическому элементу 32, Регулятор 24 тока (фиг,6) выпол- 1йен по схеме типа ДВОЙНОЙ ТОКОВЬЙ КОРИДОР и состоит из двух операционных усилителей 47 и 48 охваченных положительной обратной связ ью и выпол- ненньпс на резисторах 49 и 50.

На фиг. 4 приняты следующие условия обозначения: .к t характер- ные угловые положения сигнального .сектора; и - направление вращения сигнального сектора датчика 2,

На фиг. 7 приняты обозначения:

35

40

45

но по второй управляющей цепи поступают на вторые входы логических элементов 2И 15, 17 и 18 формирователя 10 сигналов управления и разрешают , |прехождение сигналов с первых входов логических элементов 15-20 на выходы без изменений, В данном случае единичные сигналы а и с появляют ся на выходах логических элементов 15 и 20 и поступают на управляющие входы транзисторов 9 и 4, коммутатора 3 и подаются на вход дешифратора 26, в котором под действием единичного сигнала а и нулевых сигналов Ь и с (фиг. 3) замыкается быст- родейств ющий ключ 42, подключая выход резистивного датчика 23 тока к первому входу суммирующего усилителя 41. Остальные входы усилителя обесточены.

li, ig, IP - мгновенные значения то-А

ков в секциях синхронной машины 1; ед, е, е - мгновенные значения ЭДС в секциях; fii амплитуда пульсаций тока в процессе регулирования; Ujg - напряжение .на конденсаторе 38 КС-цепи 37; Uj - напряжение.на выходе инвертирующего усилителя 34; УЗО напряжение на выходе логического.элемента 3 ИЛИ-НЕ 30; 1)35 напряжение на выходе компаратора 35; t,-момент времени начала процесса коммутации; tg - момент времени окончания про5

0

5

0

5

но по второй управляющей цепи поступают на вторые входы логических элементов 2И 15, 17 и 18 формирователя 10 сигналов управления и разрешают , |прехождение сигналов с первых входов логических элементов 15-20 на выходы без изменений, В данном случае единичные сигналы а и с появляют ся на выходах логических элементов 15 и 20 и поступают на управляющие входы транзисторов 9 и 4, коммутатора 3 и подаются на вход дешифратора 26, в котором под действием единичного сигнала а и нулевых сигналов Ь и с (фиг. 3) замыкается быст- родейств ющий ключ 42, подключая выход резистивного датчика 23 тока к первому входу суммирующего усилителя 41. Остальные входы усилителя обесточены.

При открытых транзисторах 9 и 4 коммутатора напряжение источника питания } прикладывается к фазам С и А якорной обмотки электрической машины 1. Коммутатор 3 переходит в состояние, определяемое как двигатель- н|ьй режим (Д) „ Под действием напря- ж|ения источника питания Up ток- про- т1 екает по цепи: пе рвая шина источника питания, открытый транзистор 4, фаза С, фаза А, открытый транзистор 9, резистивньШ датчик 23 тока, вторая шина источника питания, и начинает линейно возрастать. Напряжение Ua „ пропорциональное току в этих фазах. Снимается с резистивного датчика 23 тока и через замкнутый ключ А2 подается на первый вход суммирукяцего усилителя 41. Усиленный сигнал U. с выхода-усилителя 41 поступает на пер- В1ЫЙ вход регулятора 24 тока. При превышении напряжения U, заданной величины усилитель 47 переключится.

На его выходе единичный сигнал Сменяется.нулевым. При этом усилитель 48 сохраняет свое состояние по выходу неизменным, ввиду наличия смещения через резистор 49. Состояние усилителя 47 является устойчивьш благодаря наличию положительной обратной з и, через резистор 50 „i.

Нулевой сигнал с выхода усилителя 4|7 поступает на один из входов логического элемента 2 ИЛИ 32.Так как в данный момент времени не происходит изменения уровня выходных сигналов датчика и соотв ет- ственно выходных сигнал-ов реверсоров 11-13, то на выходах дифференциаторов 27-29 присутствуют нулевые сигна- л(ы. Нулевые сигналы поступают на входы логического элемента 3 ИПИ-НЕ 30 в| удерживают его в единичном состоя- Е|ИИ по выходу. Единичным сигналом с Ei-ыхода последнего логическш элемент 2|ИЛИ-НЕ 31 удерживается -в нулевом со- Отоянии по- выходу. В результате тран V

50

3 исторный ключ 36 закрыт, а конденсаI op 38 заряжен до напряжения источни- 45 Ка дртания. Напряжение положительной Но лярности с конденсатора подается На инвертирующий вход компаратора 35. На второй вход компаратора 35 подайтся инвертированное напряжение +Ц Выбором величины.источника питания

U обеспечивается более высокий уро- йень сигнала на инвертирующем входе itoMnap aTopa 35, чем на прямом. Поэто- ty С выхода компаратора 35 поступает Нулевой сигнал на второй вход логиЧеского элемента 2ИЛИ 32.

В результате нулевой сигнал с вы- ода усилителя 47 регулятора 24 тока

55 -

без изменений проходит через логический элемент 2ИЛИ 32 на вторую управляющую цепь. Этим сигналом запрещает- ся прохождение единичного сигнала С через логический элемент 20 формирователя 10 сигналов управления на управляющий вход транзистора 4 коммутатора. Транзистор 4 закрывается. Силовая схема изменяется, принимая состояние, называемого режима динамического торможения (ДТ). Ток фаз С, А замыкается по цепи: силовой ключ 9, два резистивных датчика 21 и 23 тока

диод, шунтирующий транзистор 5 в обратном направлении и начинает уменьшаться по величине для случая двигательного режима. Переключение усилителя 47 не приводит к изменению состояния дешифратора 26. Поэтому на вход регулятора 24 тока подается только сигнал Utj.fM с резистивного датчика 23 тока. Через некоторый промежуток времени ток снижается до такого уровня при котором усилитель 47. переходит в состояние с единичным уровнем напряжения на выходе. Силовая схема опять принимает состояние Д. Далее процессы повторяются в .описанной выше последовательности. Б результате ток в фазах А и С якорной обмотки ограничивается на уровне заданного с пульсацией, пропорциональной глубине положительной обратной

связи усилителя 47, При взаимодействии тока в фазах А и С якорной обмотки с полем индуктора возникает вращающий момент и ротор синхронной ма- шины 1 начинает поворачиваться в заданном направлении В.

При вращении ротора по сигналам с выхода датчика 2 происходит переключение транзисторов коммутатора. При появлении единичных сигналов на- выходах каналов «, Ь или е датчика 2 происходит включение транзисторов крммутатора 3 соответственно 9, 7 или 5, этими же сигналами, воздействующими на управляющие входы быстродействующих ключей 42-44, подключаются к входам суммирующего усилителя 41 дешифратора 26 резистивные дат™ чики тока, соответственно 23, 22 или

71

его выхода - на вход регулятора 2А тока,

В процессе коммутации секций якорной обмотки (при переключениях транзисторов 5, 7 и 9 ток в подключаемой секции возрастает с нулевого зна чения. В момент коммутации сигнал на выходе вновь подключаемого датчика тока равен-нулю. Поэтому- оба усилителя 47 и 48 переключаются в единичное состояние по выходу и переводят силовую, схему в режим Д независимо от предьщущего ее состояния. Данное обстоятельство обеспе чивает минимальное время коммутации тока в секциях.

Переключения транзисторов 4, 6 и 8. коммутатора происходят в интервале между переключениями транзисторов 5, 7 и 9. Если эти моменты переключения приходятся на режим Д, то коммутация фаз двигателя происходит аналогично коммутации при переключении транзисторов 5, 7 и 9,

Рассмотрим работу вентильного электродвигателя когда момент коммутации секций (переключения по сигналам датчика 2 верхней группы транзисторов 4, 6 и 8 коммутатора) совпадает с переходом схемы в режим ДТ, В этот момент времени на выходе усилителя 47 присутствует нулевой, а на выходе : усилителя 48 - единичный сигнал. Данная комбинация сигналов подается на входы элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 33 и на выходе последнего появляется нулевой сигнал.

Пусть в предыдущем состоянии схемы сигналы с датчика 2 подавались на управляющие входы транзисторов 4 и 7 (единичные сигналы с и Ь) в работе находились секции С и В якорной обмотки. При повороте ротора двигателя до углового положения, равного Ч (фиг, 4), происходит снятие возбуждения с чувствительного элемента с и подача возбуждения на чувствитель- ньй элемент а , Чувствительный элемент t при этом остается возбужденным, В соответствии с нулевым сигналом на управляющем входе формирователя 10 сигналов на втором выходе канала реверсора 13 единичный сигнал сменится на. нулевой, а нулевой сигнал на втором выходе канала реверсора 1 1 сменится на единичный. На остальных выходах реверсора состояние выходных сигналов остается без изменений. Так как на выходе, усилителя 47

128

регулятора 24 тока присутствует нулевой сигнал, то этим сигналом логические элементы 16, 18 и 20 оказываются заблокированными по второму вхо ду. Поэтому переключения .сигналов на первых входах элементов 16, 18 и 20 не приводят к изменению их выходных сигналов и на первые входы подаются сигналы с вторых выходов реверсоров 11-13, Соответс твенно будет задерживаться коммутация транзисторов 4 и 8 кo fмyтaтopa, Одновременно с переключением сигналов на вторых выходах каналов реверсоров,а именно канала реверса 11 на выходе дифференци - атора 27 появляется импульс единично- го уровня, который подается на один из входов логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 30, на выходе последнего появляется импульс нулевого уровня (на ( фиг, 7 момент времени t , выход U 30) , Этот импульс поступает на .второй вход логического элемента 2 ИЛИ-НЕ

31, Так как на первый вход последнего подается нулевой сигнал с вькода элемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 33, то на его выходе формируется единичный импульс. Этим импульсом открывается на короткое время транзисторньй ключ 36, разряжая до нуля конденсатор 38 RC-цепи 37 (фиг, 6, момент. t,.,U,j ),-.При этом Компаратор 35 изменяет состояние своего выхода с нулевого на единичное, так как потенциал на его прямом входе становится вьше потенциала на инверсном входе. Этот единичный сигнал приходит на второй вход логического элемента 2 ИЛИ 32 и на вькоде

последнего соответственно на второй управляющей цепи появляется единичный сигнал. На первой управляющей цепи присутствует единичный сигнал с

выхода усилителя 48, как было указано выше. Единичные сигналы по цепям управления формирователя 10 разреша- ют прохождение сигналов а и Ь датчика 2 на управляющие входы транзисторов 8 и 7 коммутатора 3 (транзистор 7 был открыт ранее), В результате силовая схема принудительно переходит в режим Д (фиг, 10)и практически без задержки начинается ком- мутация тока в секциях & иА . При этом

как в секции С интенсивно уменьшается, а секции Д нарастает, В секции 6 ток практически не изменяет своего значения за время коммутации (фиг,7 интервал tj-t). При этом в коммутатфре образуются два контура протека- HijiH тока (фиг. 9). Первый контур об- ток- i. j протекающий по цепи: С(кции С , секция В , транзистор 7, дфтчики 22 и 21 тока, обратный диод )анзистора 5. Этот контур тока (ре- ) существовал в коммутаторе до начала коммутации секций (фиг. 8). В Момент начала коммутации секций (при открытии транзистора 8) образуется дополнительньй контур протекания тока i. по цепи: первая шина источника питания +Un, транзистор 8, секция Л, секция С , обратный диод ;Транзистора 5, датчик 21 тока, вто- ,рая шина источника питания, В момент коммутации ЭДС коммутируемых секций Л и С имеют одинаковую :вег1ичину, направлены встречно и по- . :этому для. протекающего тока i взаимно скомпенсированы, Таким обра- зом ток i интенсивно нарастает поч действием напряжения источника пиЬгания 4-и, темп его роста линеен и практически не зависит от скорости вращения poTf opa. Он определяется только индзп тивностью секций А и С (фиг, 7, интервал времени лt , диаграмму 1д ) . Рост тока .„ продол А ,С

жавтся до того момента, когда его величина сравняется с величиной спадающе го тока i

C,D

(закрьшается обратный диэд транзистора 5),(на фиг, 7, мо- меят времени tg.). В этот момент вре- меяи ток ig в секции С спадает до нуля а ток 1д в Секции Л сравнивается по величине с током i секции В, Про- коммутации секций закончен. Та- образом, время коммутации ut за- вирит в основном от параметров элект- ро ашины (индуктивности секций якорной обмотки) и от величины тока, с Kojroporo начинается коммутация,

В управляющей части двигателя за коммутации происходят следующие процессы

В момент времени t, (фиг, 7) дейсатор 38 RC-цепи 37 был разряжен до нуля открывшимся на короткое время транзисторным ключом 36, а компаратор 35 переключился в единичное состояние по выходу. После запирания тр.нзисторного ключа 36 конденсатор наШнает заряжаться через резистор 39 под действием напряжения +U.

Параметры RC-цепи 37 выбираются таким образом, чтобы момент достижение напряжения на конденсаторе 38

величины напряжения на выходе инвер- тирукнцего усилителя 34 и последующего переключения компаратора 35 совпал с с моментом окончания коммутации тока в секциях О и А, Далее компаратор 35 переключается в нулевое состояние по выходу. Нулевой сигнал с выхода компаратора 35 поступает на второй

10 вход логического элемента 2 ИЛИ 32, а выход последнего начинает повторять сигнал на его первом входе и выходе усилителя 47 релейного регулятора 24 тока. Дальнейшее регулирование то15 ка в секциях осуществляется с помощью релейного регулятора 24 тока по управляющим цепям формирователя 10, В частности, так как процесс коммутации происходит при некотором сниже20 НИИ тока двигателя, то по окончании коммутации силовая часть сохраняет . режим Д до увеличения тока, соответ- ствующего переключению схемы из ре- , жима Д в режим ДТ, Далее процессы

25 повторяются путем чередования режимов Д и ДТ до очередного переключения транзисторов верхней группы коммутатора 6 и 8, Коммутация А и Б происходит аналогично описанному с той

30 лишь разницей, что сигнал на перевод силовой части из режима ДТ в режим Д формируется дифференциатором 28,

Таким образом осуществляется коммутация тока в секциях двигателя при

35 переключении транзисторов верхней -г группы коммутатора непосредственно - по сигналам датчика 2,

Устраняются коммутационные прева- лы тока, имеющие место при совпаде40 НИИ момента коммутации секций двига- теля с моментом.отключения секций от источника питания При этом улучшается коэффициент использования двигателя по моменту, снижаются .допол45 ннтель ные потери. Полностью исключаются низкочастотные колебания момента на частотах, близких к кратным частотам работы релейного регулятора тока, В результате повышается равноgQ мерность вращения двигателя, что способствует улз чшению качества работы промыитенных роботов, манипуляторов, в составе которых находят наибольшее :применение управляемые вентильные ;

gg двигатели.

Формула изобретения

Управляемый вентильный электродвигатель по авт, ев, № 1259463,

/

фиг.З

««

фигЛ

J5

J7

Г . Г

фиг б

/W

фиг.7

Pe)ffu/ ДТ

Фиг.в

t/e.9

фиг. W