Вентильный электродвигатель Советский патент 1988 года по МПК H02K29/00 

ХЛ5

1C

СП

о сю

ду фазочувствительным выпрямителем 11 -и управляю1цими входами ИРН 15, 16 соответственно Управление секциями 1-4 обмотки вентильного электродви- гателя осурдествляется посредством :транзисторов 5-8 коммутатора по CHf- налам датчика 9 положения ротора (через формирователь 10 зоны коммута- |циио Секции 1, 2 и 3, 4 шунтированы диодами 17, 18, Средняя точка обмотки 21 AT подключена к ИРН 34, вход к-рого объединен с входами ИРН 15,- 16 и подключен к плюсовому зажиму источника питания. ИРН 15, 16 подключены к общим точкам секций соответственно 1, 2 и 3, А. Диод 35 включен между отрицательным зажимом источника питания и средним выводом обмотки 21. Пороговый блок связан с выходами выпрямителя 11 и управляющими входами реле 30, 31. В электродвигателе осуществляется автоматическое переключение из режима ШИМ в режим работы с AT 19. Переключение происходит в момент, когда дальнейшее регулирование в режиме ШИП невозможно, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение диапазона регулирования и повышение КПД. С этой целью вентильный электродвигатель снабжен реле 26-30 с зймыкамщими контактами, реле 31 с размыкающим .контактом, автотрансформатором (AT) 19. Реле 26-30 включены соответственно между выводами первичной обмотки 21 AT 19 и импульсными регуляторами напряжений (ИРН) 15, 16, выходами выпрямителей 24, 25 и управлякщими входами реле 26., 27, между выходом генератора 12 пилообразного напряжения и входом ши- ротно-импульсного модулятора (ПШМ) 32. Реле 31 соединяет выход генератора 12 с входами П1ИМ 13, 14, включенных меж

: 1

Изобретение относится к электро- ;технике и может быть использовано :в вентильных электроприводах с широ-. 1ким диапазоном регулирования и в мо- ментньк электроприводах.

Целью изобрете1-шя является расшю- рение диапазона регулирования,.повышение 1ШДс

Из. фиг о 1 изображена .функциональная схема вентильного электродвигателя (ВД) I на фиг с, 2 - диаграммы, по ясняюпц-ш процессы формирова11ия токов и напряжений в якорной обмотке ВД; на фиг„ 3 - диаграммы процессов в ВД при его работе с автотрансформатором; на фиг, 4 - противоЭДС в ВД при включении автотрансформатора; на фиг„ 5 - механическая характеристика ВД.

Вентильный электродвигатель содержит ротор, двухфазную обмотку якоря, состоящую из четырех 1-4 по две сдвинутые на 180 эл.град секции в каждой фазе, последовательно с каждой с екщей соединены транзисторные ключи 5-8, образуя две ячейки коммутации, причем начало одной секции 1(3) и конец другой 2(4) каждой фазы объединены, выходы транзисторных ключей 5-8 объединены и подключены к первому зажиму цепи питания„ Управляющие входы ключей 5-8 связаны с выходом аналогового датчика 9 папоже- ния ротора через формирователь 10 зо0

ны коммутации транзисторных ключей, большей 180 эллград, фазочувствитель- ный вьшрямитель (ФЧВ) 11, генератор 12 пилообразньк импульсов. Каждый канал усиления сигнала для соответствующей ячейки снабжен широтно-им- пульсным модулятором (ШИМ) 13, 14, импульсным регулятором 15, 16 напряжения и диодом 17, 18. Причем в каждом канале усиления выходы аналогового датчика 9 положения ротора связаны через формирователь 10 зоны коммутации транзисторных ключей 5-8 с ттравляющими входами ключей 5-8 ячеек коммутации и с входом ФЧВ 11 Выход ФЧВ 11 соединен с первыми входами ШИМ 13, 14 Импульсный регулятор i 15(16) напряжения подключен последовательно между общей точкой секции каждой фазы 1 и 2 (3 и 4) и вторым зажимом цепи питания, входы УШМ 13, 14 подключены к управляющим входам импульсных регуляторов 15, 16 напря

25

жения, каждая ячейка коммутации шунтирована диодом 17, 18 в обратном направлении, а выход генератора 12 пилообразных импульсов подключен к второму входу каждого ШИМ 13, 14. Дополнительно электродвигатель содер 0 жит автотрансформатор 19 с первичной обмоткой 20, 21 и со средней точкой и двумя выходными обмотками 22, 23; два вьтрямителя с фильтрами 24, 25, первое 26 и второе 27, третье 28,

35 четвертое 29 и пятое 30 реле с замыкающими контактами, реле 31 с размыкакщими контактами; третий ШИМ 32, пороговый блок 33 и третий импульсны регулятор 34, и третий диод 35,,

Начало первичной обмотки 20 авто1трансформатора подсоединено через I

нормально разомкнутые контакты первого реле 26 к средней точке первой фазы якорной обмотки с секциями 1,2, а конец первичной обмотки 21 подсоединен через нормально разомкнутые контакты второго реле 27 к средней точке второй фазы якорной обмотки с секциями 3, 4. Управляющий вход

первого реле 26 через замыкакнцие контакты третьего реле 28 подключен, к выходу первого выпрямителя с фильтром 24, а его вход подсоединен к первой выходной обмотке 22, Управ- ляющий вход второго реле 27 через замыкающие контакты четвертого реле

29п одключен к второму выходу выпрямителя с фильтром 25, а его вход подсоединен к второй выходной обмотке 23 автотрансформатора 19, Средняя точка последнего через третий .импульсный регулятор 34 подсоединена к плюсовой шине источника питания.Управ- лякищй вход импульсного регулятора 34 подсоединен к выходу третьего ШИМ 32, а его вход подсоединен через замыкаюпще контакты пятого реле 30

к выходу генератора 12 пилообразных напряжений. Выход генератора 12 пи- лообразных напряжений подключен также к первому 13 и второму 14 НИМ через реле 31 с размыкакщими контактами Выходы ФЧВ 11 подключены к входу порогового устройства 33, а его вы- ход подключен к управлякшщм входам третьего 28, четвертого 29 и пятого

30реле с замьжающими контактами и входу реле 31 с размыкающими контактами, третий диод 35 подключен ано-

.дом к минусовой шине источника питания, а катодом - к средней точке автотрансформатора 19.

Вентильный электродвигатель работает следующим образомо

При подаче напряжения питания на схему сигналы с датчика 9 положения ротора (ДПР) через формирователь 10 зоны комг тутации поступают на управляющие входы транзисторных ключей 5, 6и7, В, которые находятся каждый в открытом состоянии в течение угла поворота датчика 9 положения ротора, большего 180 эл..град со

сдвигом, задаваемым датчиком 9 положения ротора. Одновременно сигналы с датчика 9 положения ротора через ФЧБ 11 поступают на UD-IM 13 и 14, где происходит сравнение огибающей выходного сигнала датчика 9 положения ротора и пилообразного напряжения, поступающего с выхода генератора 12 пилообразных импульсов через нормально замкнутые контакты реле 31. В результате на выходе ПШМ 13, 14 имеем последовательность импульсов, дли- .тельность которых определяется частотой импульсов генератора 12 пилообраных напряжений и величиной выходного сигнала датчика 9 положения ротора. Эти импульсы поступают- на управляющие входы импульсных регуляторов 15, 16 напряжения, которые изменяют напряжение на секциях 1-4 обмотки электродвигателя по закону задаваемом формой огибающей выходного сигнала датчика 9 положения ротора о Коммутация транзисторных ключей 5, 6,и 7, 8 происходит,- с частотой, равной частот вращения магнитно-движущей силы (м.д.с,), создаваемой якорной обмоткой, а коммутация импульсных регуляторов 15, 16 напряясения обеспечивает формирование на средней точке каждой из двух фаз якорной обмотки напряжения по закону синуса и косинуса (ши- ротно-импульсное напряженке на средней точке каждой из двух фаз имеет вид выпрямленной синусоиды или косинусоиды) , Наличие диодов 17 и 18 и расширенная зона комм тацнн транзисторных ключей 5-8 (в пределах 190- 195 элоград) позволяют получить -в якорных секциях БД непрерывный ток и исключить перенапряжения, связанные с индуктивным характером нагрузки. Сигнал с датчика 9 положения, промодулированный частотой вращения вала, изображен на фиг. 2а. Формирователь 10 зоны коммутадаи , состоящий из фазочувстБительных выпрямителей и триггеров Шмидта, позволяет получить на выходе сигналы для управления транзисторными ключами 5-8 с зоной коммутащш 185-195 эл.град., Кроме того, наличие фазочувствитель- ных выпрямителей в формирователе 10 позволяет.осуществлять при необходимости реверс электродвигателя. На фиг, 2в, б изображены диаграммы напряжений на выходе формирователя для одной фазы (транзисторные ключи

5 и 6) , Одновременно сигнал с Д11Р (фиг„ 2а) поступает на вход ФЧВ 11 (на фиг о 2 изображены сигналы для одной )„ С выхода ФЧВ 11 сигнал (фиг,2г) поступает на УЖМ 13, 14, где преобразуется по закону синуса (фиг о 2д,5 е) и косинуса (не показан) с одновременньм выпрямлением одной из полуволн сигнала (в данном случае отрицательной фиг. 2д5 е), Потребля- . ток от источника одной фазы 1ф представлен на фиг с 26 Транзисторы 5, 8 осуществляют поочередную коммз - тацию секций якорной обмотки при пе- реходе напряжейия ДПР 9 через нуль, и по обмоткам в фазе протекает не- прерьюный ток (фиг о 2е) i, i где i - ток в секции 1, i-j ток в секции 2о Несмотря на то, что при коммутации с расширенной зоной воз ннкает угол J. , когда в каждой Фазе одновременно отк1эыты транзисторные ключи 5э 6 к ,7 8, динa mчecкoгo тормозного момента не создается, так как дт-юды 17j 18 могут быть открыты только напряже1щем порядка 1В, Изменяя величину выходного напряжения дар 9з можно в широких пределах регу

лировать электромагнитный момент . электродвтсгателя. Когда амплитуда СИГ нала с Д11Р 9 будет равна амплитуде напряжется Нпил с генератора 12 ni-шообразкьк импульсов (фиг 2д),, это будет соответствовать номинально ivi}, рел-а-хму и максимальному значению КПД ВДо Дальнейшеа увелг-шание часто™ ты вращения вала электродвигателя за счат перекрытия ШШ нецелесообразно, так как приведет к снижению КПД за счет резкого ухудшения гармошгческог состава тока из-за несоответствия формы ЭДС. (синусоидальная) и напря- жешая на секции (трапецеидальное или еще ху5ке прямоугольное) „ Поэтому при достижении амплитуды напря :ения с ФЧВ 11 заданной .ичин1 1., соответствующий максимальному значению и равной JJon S срабатывает пороговьй блок 33 Сигнал высокого уровня с выхода порогового блока 33 поступает на управ- ляющие входы реле 31.с размыкающими контактами реле 28, 29 30 с замыка контактамис реле 31 отключит генератор 12 пилообразных напряжений и иг ульсные регуляторы 15, 16 напряжения отключат секции якорной обмотки от плюсовой шины НС точника питания. Одновременно реле

10

54275086

28, 29 подключат к управляющим входам реле 26, 27 выпрямителя с фильтром 24, 25, реле 26, 27 замкнут свои контакты и подсоединят, например, начало первичной обмотки 20 автотрансформатора 19 к средней точке первой фазы с секциями 1, 2 якорной обмотки БД, а конец первичной обмотки 21 - соответственно к средней точке второй фазы с секциями 3, 4, Одновременно через реле 30 сигнал с генератора 12 пилообразных импульсов поступает на вход третьего ШИМ 32, с выхода которого сигнал поступает на управляющий вход третьего импульсного регулятора 34, Изменением амплитуды напряжения управления регулируют длительност.ь импульсов напряжения на средней точке автотрансформатора 19. Длительность импульсов на входе третьего импульсного регулятора 34 напряжения выбирают так, чтобы частота вращения вала при пе- 25ореключении на работу с автотрансформатором не изменяласьо

20

Рассмотрим процессы, протекающие в двигателе при его работе с авто

трансформатором. На фиг. За и б прец- ставлено напряжение противоЭДС на средних точках фаз БД 1д и 1, сдвинутых между собой в пространстве на 90 эл,град, относительно минусовой шины источника питаьшя. На показана иллюстрация возникновения противоЭДС 1д и. 1 на средних точках фаз вентильного двигателя„ При включении между средними точками фаз

якорной обмотки автотрансформатора 19 с секциями 20, 21 и в соответствии с порядком их намотки и подкл С(чени- ем на начале и конце первичной обмотки 20, 21 появляется напряжение двойной частоты по отношению к частоте ЭДС и амплитзщой, равной амплитуде ЭДС и формой, приближенной к треугольной (фиг, Зг).,Так как автотрансформатор 19 имеет среднюю точку, которая через третий импульсньй модулятор 34 подключена к плюсовой шине источника питания, то напряжение треугольной формы и двойной частоты, но с амплитудой, равной половине ЭДС вращения, оказывается приложенным в фазе и противофазе к якорным секциям вентильного двигателя При этом суммарное напряжение на коммутируемых секциях, , напряжение тре

Д ольной формы и ЭДС секции, становится близким к прямоугольному (фиг о Зг, д), а на закрытом транзисторе в каждой фазе напряжение равнб, например, на холостом ходу Uxx Un +

1 + ,51si2,5Uff (фиг.Зе)о Благодаря включению автотрансформатора 19 и коммутации якорных секций с углом открытого состояния 185-195 эл.гра .амплитуда напряжения на коммутируемых секциях возрастает на холостом ходу в 1,5 раза, а далее с увеличением нагрузки на валу уменьшается пропорционально ЭДС.

На фиг. 5 предстагвлены две механические характеристики при максимальном напряжении управления: К - при синусоидальной модуляции и М - при работе с автотрансформатором.

Регулируя начальную ширину импульсов на выходе lilHM регулятора 34, можно в широких пределах регулировать тбчку перехода с характеристики К на механическую характеристику W,

Диод 35 поддерживает в якорных секциях непрёрывньй ток при работе ШИМ регуля тора 34,

Таким образом, расширение диапазона частот вращения вала и повьшение КПД осушествпяется за счет автоматического переключения электродвигателя из режима его работы по синусоидальной ШИМ в режим работы с автотрансформатором. Переключение происхдит в тот момент, когда дальнейшее регулирование в режиме синусоидальной ШйМ невозможно (насыщение по управлению) о При этом на естественной механической характеристике электродвигатель при работе с автотрансформатором имеет максимальный КПД, так как отсутствуют динамические потери на несущей частоте ШИМ, а форма напряжения на фазных обмотках близка к синусоидальной

Формула изобретения 50

Вентильньй электродвигатель по авТо ев, № 1350773, отличаю45

5

0

5

0

5

0

щийся тем, что, с целью расширения диапазона регулирования, повышения КПД, в него дополнительно введены автотрансформатор, снабженный первичной обмоткой со средней точкой и выходными обмотка ми J два выпрямителя с фршьтром, пять реле с замыканяцими контактами, шестое реле с размыкающим контактом, третий широт но-импульсный модулятор 5 порО - говьй блок, третий импульсный регулятор и третий диод, причем начало первичной обмотки автотрансформатора соеди,нено через замыкающий- контакт первого реле со средней точкой фазы якорной обмотки, а конец первичной обмотки автотрансформатора через размыкающий контакт второго реле - с средней точкой второй фазы якорной обмотки, управляюшзий вход первого реле через размыкающий контакт третьего реле подключен к выходу первого выпрямителя с фильтром, вход которого подключен к первой выходной обмотке,, управляюций вход второго реле через замыкакядий контакт четвер™ того репе подключен к выходу второго выпрямителя с фильтром, входом подключенного к второй выходной обмотке автотрансформатора, средняя точка первичной обмотки автотрансформатора через третий импульсный регулятор соединена с плюсовой шиной источшша питания, управлянщий вход третьего импульсного регулятора подключен к .выходу третьего шиpotнo-и myльcнoгo модулятора , вход которого через за- мыканщий контакт пятого реле подключен к выходу генератора пилообразных напряжений, выход которого подключен к входам первого и второго пиротно- импульсных модуляторов через размыкающий контакт шестого реле, выходы 5 фазочувствительного выпрямителя подключены к входам порогового блока, выход которого соединен- с упра-влякици ми входами третьего, четвертого, пятого и шестого реле, третий ди:од подключен анодом к минусовой шине источника питания, а катодом - к средней точке первичной обмотки автотрансформатора.

0

35

0

ДПР

а о

fK

wt

яi/д а

Us

SA

Ueo

A

/ V

e

фиг. 3

M)t

a)t

(,)t

Of

л,

М

Ф(/е.Л