Вентильный электродвигатель Советский патент 1989 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике а именно к исполнительным электродвигателям систем автоматического управления Цель изобретения - упрощение устройства и улучшение линейности его регулировочных характеристик.

На фиг. 1 изображена структурная схема двухфазного вентильного двигателя; на фиг. 2 - питающая статорная пластина фазовращателя; на фиг. 3 --- векторная диаграмма напряжений, питающих ее секторы; на фиг. 4 -- выходные характеристики фазовращателя; на фиг. 5-7 - принципиальные схемы соответственно функционального генератора, блока изменения фазы и одного из фильтров блока формирования синусои- дального напряжения; на фиг. 8 - эпюры Iнапряжений, используемых для получения |питающих напряжений емкостного фазовра- |1цателя; на фиг. 9 - эпюры напряжений, iпоясняющие принцип работы блоков выдел е- 1ния фазового сдвига; на фиг. 10 - эпюры на- пряжений, поясняющие принцип работы ком- |мутаторов и физическую сущность управле- ния скоростью в предлагаемом электродвигателе.

Вентильный электродвигатель содержит |геиератор 1 импульсов высокой частоты, ко- рорый через делитель 2 частоты, подключен |к функциональному генератору 3. Последо- |вательность пилообразных импульсов, сформированная функциональным генератором, |поступает на один из входов блока 4 изме- нения фазы (фиг. 6), а. на его второй вход подается управляющее напряжение U,/. На рыходе данного блока имеют место две последовательности импульсов Цз| и U32, инверс- |ных друг относительно друга и сдвинутых о фазе на угол ±i|) относительно последо- ательности UIQ.

Блок 5 формирования синусоидальных 1апряжений представляет собой три форми- (5ователя синусоидального напряжения |(фильтры первой гармоники). Полученные Ъри помощи этого блока напряжения Uo, Ui, Ua используются для питания одной из статорных пластин фазовращателя 6 ((о1-|-ф|));

((ot-f фо+1|5); (cot-f9o-a|)),

где сро - начальная фаза;

ф - сдвиг фаз, полученный при помощи блока 4 изменения фазы, .причем ,;

ш - круговая частота;

t - время.

Выходкой сигнал фазовращ,ателя Uuux, (ивыха) поступает на блоки 7 и 8 выделения фазового сдвига. Длительность импульсов на выходе этих блоков равна сдвигу фаз ф мыходного н апряжения фазовращателя относительно опорного Uo. Принцип работы бло- на пояснен эпюрами на фиг. 9.

Для согласования частот в устройстве используются преобразователи 9 и 10 частоты, к выходам которых подключены коммутаторы 11 и 12.

К обмоткам 13 электродвигателя подключены коммутаторы 11 и 12, которые, используя принцип щиротно-импульсной модуляции, формируют питающее напряжение электрической мащины и U«2- Фазовращатель 6 закреплен на валу синхронной мащины 14.

Функциональный генератор 3 предназначен для преобразования последовательности прямоугольных однополярных импульсов и 10 частотой fo в последовательность

пилообразных однополярных импульсов U20

частотой 2fo.

Последовательность импульсов Ujo поступает на входы одновибраторов 15 и 16 {К155АГЗ), которые формируют две последовательности коротких импульсов длительностью а по переднему и по заднему фронтам импульсов последовательности UIQ.

Объединив в схеме ИЛИ 17 выходные последовательности одновибраторов 15 и 16, получим последовательность Un, которая по- ступает на вход генератора 18 пилообразных импульсов, реализованного на п-рп

транзисторе {КТ315Е) и операционном усилителе (К140УД8А).

-Таким образом, получается последовательность однополярных пилообразных импульсов U20 с минимальным временем спада напряжения.

Блок 4 изменения фазы состоит из компаратора 19 напряжений (К554СА2) и триггера 20 (К155ТМ2).

При рассмотрении работы принципиальной схемы блока 4 изменения фазы целесообразно использовать эпюры напряжений U20, Uj,, Usi, U32, U21 (фиг. 8).

На входы компаратора 19 напряжений поступает последовательность однополярных пилообразных импульсов U2o и управляющее напряжение U,,. На выходе данного элемента имеет место последовательность прямо- угольнЫх импульсов U2I, причем фронты импульсов этой последовательности соответствуют моментам времени, в которые U,. Последовательность U2i поступает на вход D-триггера 20, работающего в качестве делителя частоты, на выходах которого имеют место две последовательности импульсов и.з и 1/32, инверсных друг относительно друга и сдвинутых на угол ±г|5 относительно последовательности UIQ.

На фиг. 2 показана питающая пластин.а емкостного фазовращателя, разделенная на четыре изолированных друг от друга сектора, к которым и подводятся питающие напряжения.

На фиг. 3 приведены векторные диаграммы питающих напряжений фазовращателя Uo, Ui, U2. Фазовый сдвиг i|) изменяется при помощи блока 4.

На фиг. 4 изображена зависимость фазового сдвига ф выходного напряжения фазовращателя 6 Uaux i (ивых2) относительно опорного Uo от угла поворота ротора а для различных значений -ф, т. е. (а) для Фь фг, i|J3, причем ).

Чем меньше -ф, тем меньше ф, а следова- тельно, и меньше длительность т широтно- импульсно-модулированных последовательностей Ueo и Uei, что, в свою очередь, ведет к уменьшению частоты врашения электрической машины 14.

На фиг. 10 проиллюстрирована завися- мость амплитуды фазного тока 1ф в обмотках электрической машины 14 от величины фазового сдвига г|) питающих напряжений емкостного фазовращателя 6. На первой диаграмме фиг. 10 показана широтно-импульсно- модулированная последовательность импульсов Ueo, поступающая на вход полупроводникового коммутатора 11 (или 12) и форма тока 1ф в обмотке электрической машины 14 при фазовом сдвиге питающих напряжений фазовращателя г|) ф1. На второй диаграмме фиг. 10 приведена также последовательность Убо и ток в фазных обмотках 1Ф, но при )2, причем . При меньшем сдвиге фаз питающего напряжения фазовращателя 6 ток в обмотках имеет мень- шую амплитуду, а следовательно, электрическая машина 14 имеет меньшую скорость вращения.

Для рассмотрения работы устройства в динамике целесообразно использовать фиг 1 и 8.

От генератора 1 высокой частоты через делитель 2 частоты на вход функционального генератора 3 поступает последовательность импульсов и 10 (фиг. 8). Функциональный генератор 3 преобразует последовательность однополярных прямоугольных импульсов и 10 в последовательность однополярных пилообразных импульсов 1/20 (фиг. 8) двойной частоты, которая поступает на один из входов блока 4 изменения фазы, на другой вход которого поступает управляющее на- пряжение U,,. На выходе данного блока имеют место две последовательности импульсов Uai и U32 инверсных друг относительно друга и сдвинутых на угол ±ij; относительно последовательности Uio. Причем фазовый сдвиг г|з однозначно определяется врличи- ной напряжения U,,, т. е. ij)f(U,). Последовательности Uai, U32 и и 10 поступают на вход блока 5 формирования синусоидального напряжения, который формируют три синусоидальных напряжения Uo, Ui, U2, причем Uo является опорным, а Ui и U2 сдвинуты по фазе на ±i) относительно UQ. Питающие пластины емкостного фазовращателя 6 соединены с выходами блока 5. На выходе фазовращателя 6 имеют место два синусоидальных сигнала Usbixi и ивых2 сдвинутых относительно друг друга на л/2, а относи- тельно Uo - на ф, причем ( фIa), где а - угол поворота ротора. Блоки 7 и 8 выделения фазового сдвига преобразуют фазовый сдвиг ф выходного сигнала фазовращателя относительно опорного Uo во временной интервал, т. е. в последовательность импульсов U40 (Uso) с длительностью (фиг. 9).

За один оборот вала электрической машины 14 длительность импульсов т последовательности U40 (Uso) два раза имеет максимальное значение, т. е. за один оборот вала двигателя происходит два периода широтно- импульсной последовательности U4o и два периода последовательности Uso, причем U4o и Uso сдвинуты друг относительно друга на л:/2.

Преобразователи 9 и 10 частоты предназначены для согласования частоты следования импульсов U40 (Uso) с частотой приемистости коммутаторов II и 12 и электрической машины 14.

Преобразованные широтно-импульсные последовательности Ueo и Uei поступают на коммутаторы II и 12 и предназначены для управления ключами коммутаторов, выходы которых соединены с фазовыми обмотками

13электрической машины 14, имеющей две пары полюсов на роторе, выполненном из

. редкоземельных магнитов.

Ток в обмотках электрической машины

14зависит от длительности т импульсов последовательностей Ueo (Uei). Изменяя величину управляющего напряжения и„, изменяют величину фазового сдвига ф, т. к. (U,,), а это влечет за собой изменение длительности т импульсов Ueo (Uei), так как (ij)ia). Следовательно, ток в обмотках электрической машины изменяется, что приведет к изменению скорости вращения вала электродвигателя.

Таким образом, изменяя величину фазового сдвига г|) питающих напряжений фазовращателя 6, удается достаточно просто управлять скоростью электрической MaujH- ны 14.

Реверс в данном двигателе можно осуществлять путем инвертирования одного из напряжений, питающих обмотки статора электрической мащины.

Устройство просто в технической реализации (отсутствует двойная широтно-им- пульсная модуляция), кроме того, важным преимуществом является линейность регулировочных характеристик.

Для реализации схемы управления частотой вращения электродвигателя в предлагаемом устройстве требуется ввести лишь достаточно простой блок изменения фазового сдвига питающих напряжений емкостного фазовращателя, который значительно проще и дешевле двух широтно-импульсных модуляторов.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий электрическую машину с двухфазной обмоткой якоря и вращающимся индуктором, на валу которого закреплен фазовращатель, высокочастотный генератор, подключенный к делителю частоты, формирователи синусоидального напряжения, соединенные с питающей пластиной емкостного фазовращателя, преобразователи частоты, к выходам которых через коммутаторы подключена двухфазная обмотка якоря, а входы связаны с двумя выходами фазовращателя через блоки выделения фазового сдвига, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства и улучщения линейности его регулировочных характеристик, введены

функциональный генератор-преобразователь прямоугольного однополярного напряжения в пилообразное напряжение двойной частоты и блок изменения фазы, при этом функ5 циональный преобразователь подключен к выходу делителя частоты, а его выход соединен с входом блока изменения фазы, на управляющий вход которого подключено постоянное напряжение, а выходы соединены

1Q с входами формирователей синусоидального напряжения, причем аход одного из формирователей непосредственно соединен с выходом делителя частоты.

.S

Фиг.б

Изобретение относится к исполнительным электродвигателям систем автоматического управления. Цель изобретения - упрощение устройства и улучшение линейности регулировочных характеристик вентильного электродвигателя (ВД). ВД содержит генератор I импульсов высокой частоты, который через делитель 2 частоты подключен к функциональному генератору (ФГ) 3. Импульсы ФГ 3 поступают на один из входов блока 4 изменения фазы. На выходе блока 4 имеют место две последовательности импульсов Usi и U32, инверсных одна относительно другой и сдвинутых по фазе на угол |} относительно ФГ 3. Напряжения ФГ 3 - Ui и U2 - через фильтры первой гармоники поступают на датчик положения ротора (ДПР), выполненный на основе емкостного фазовращателя 6. ФГ 3 запитывает первую и третью пластины фазовращателя 6, а Ui и U2 - вторую и четвертую соответственно. Фазовые сдвиги относительно ФГ 3 m (по числу фаз двигателя) выходных сигналов ДПР изменяются по гармоническим функциям угла поворота ротора и преобразованные в щирину импульса, усиленные коммутатором питают соответствующие обмотки двигателя. Таким образом, осуществляется позиционно-зависимая модуляция фазных напряжений двигателя. Изменяя сдвиг фаз ij) питающих ДПР напряжений пропорционально управляемому напряжению U,, изменяют амплитуду указанных гармоничес- ких функций, т. е. глубину модуляции фазных напряжений, и тем самым осуществляется управление с частотой вращ ения ВД 10 ил. i (Л О) 4 1C О)

CZ

10 32

и,

ю

Un

и п I

Uo,Ui,U2

Фиг.7

Фиг. 8

Un

f

Jill

I I I I I I 1 i I I

Д П П П П

60

I

Ф

kzfl

I,

Ф

l-Jb-fb-rTTb П П,

/ ,

Qi&JL

Фиг. /О