Вентильный электродвигатель Советский патент 1990 года по МПК H02K29/12 

, Изобретение относится к электротехнике, а именно к двигателям по- с оянного чока с бесконтактной коммутацией - активным электродвигателем, и может быть использовано в электроприводах со стабилизированной частотой враи,ения„

Цегью HJобретения является повышенно энергетических показателей вентильного электродвигателя за счет уменьшения запаздывания в каналах прохождения сигналов с датчика положения до обмотки якоря синхронной машины.

На фиг.1 показана функциональная схема вентильного электродвигателя; на фиг.2 - фрагмент его принципиальной электрической схемы; на фиг.З - схема задатчика скорости; на фиг,4 - диаграмма напряжений вентильного Электродвигателя.

Вентильный электродвигатель (фиг0 содержит синхронную машину 1 с постоянными магнитами на роторе 2, синусной 3 и косинусной 4 фазами обмотки якоря на статоре, подключенными к выходам усилителей 5 и 6 мощности, имеющим входы 7 и 8 соответственно„ На валу синхронной машины 1 установлен датчик 9 положения, выполненный в виде вращающегося трансформатора с основной 10 и дополнительной 11 обмотками возбуждения, синусной 12 и косинусной 13 выходными обмотками Основная обмотка 10 возбуждения подключена через задатчик 14 скорости к генератору 15 опорных напряжений Дополнительная обмотка 11 возбуждения соединена с выходом источника 16 постоянного тока Обмотки 12 и 13 подключено , к первым входам 17 и 18 фазо чуветвктапьных демодуляторов (ФЧД),

0

5

0

5

0

5

0

5

вторые входы 19 и 20 которых связаны с квадратурным выходом генератора 150 Выходы 21 и 22 ФЧД подключены к входам 7 и 8 усилителей 5 и 6„ Основной выход 23 генератора 15 подключен к входу задатчика 14 скорости.

Вентильный электродвигатель содержит также ФЧД 24 и 2Ь(запоминающий элемент), компаратор 2Ь и формирователь 27 импульсов.. Дополнительная обмотка 11 возбуждения датчика 9 положения выполнена перпендикулярно основной обмотке 10 возбуждения, а генератор 15 опорного напряжения снабжен дополнительным квадратурным выходом 28, фаза напряжения на котором сдвинута на 90° относительно фазы напряжения на основном выходе 23„ При этом ФЧД 24 и 25 включены по сигнальному входу и выходу между выходными обмотками 12 и 13 датчика 9 положения и входами усилителей 5 и 6 мощности соответственно, а управляющие входы запоминающих элементов 24 и 25 объединены и подключены через компаратор 26 и формирователь 27 импульсов к дополнительному выходу 28 генератора 15 опорных напряжений,,

ФЧД 24 и 25 представляют собой -последовательно по входу-выходу соединенные импульсную фазочувствитель- ную схему и схему запоминания амплитуды входного сигнала, выполненную, например, на операционном усилителе 29 (фиг.2), работающем в режиме повторителя, к неинвертирующему входу которого подключен конденсатор 30, подключаемый также к синусной обмотке 12 датчика 9 положения через ключ на полевом транзисторе 31а Затвор последнего подключен к выходу компаратора 26 на операционном усилителе 32 через

формирователь 27 импульсов, выполненный в виде дифференцирующей цепи на конденсаторе 33 и резисторе 34, образуя фазочувствительную схему Резистор 35, запитанный напряжением смещения +U,f служит для введения положительного напряжения смещения для запирания полевого транзистора 31 Неинвертирующий вход операционного усилителя 32 соединен с общей шиной, а инвертирующий вход подключен к квадратурному выходу 28 генератора 15 опорных напряжений о Задатчик 14 скорости может быть выполнен, например, в виде трансформатора 36 (фиг.4), первичная обмотка которого подключена к основному выходу 23 генератора 15 опорных напряжений, а вторичная обмотка соединена с потенциометром 37, движок которого соединен с основной обмоткой 10 возбуждения датчика 9 положения. Средние точки трансформатора 36 и потенциометра 37 соединены с общей шиной.

Электродвигатель работает следую- щим-образомо

Генератор 15 опорных напряжений формирует квадратурные напряжения с частотой СО

0(

U

оп

sin COt

02

ио„ coscjt,

При этом задатчик 14 скорости формирует напряжение установки скорости Uц переменного тока

Uu A. sinco t (2) с частотой СО опорного напряжения0 Это напряжение создает в обмотке 10 возбуждения датчика 9 положения ток 1„ :

где R - активное сопротивление дополнительной обмотки 11 возбуждения о

Потокосцепление (J синусной 12 и косинусной 13 обмоток редуктосина определяется токами взаимно перпендикулярных обмоток 10 и 11 возбуждения в соответствии с выражением

10

15

20

25

30

Vw -Kw i4sin(mef+9)+Iocos(mif +9) ;

(5)

б км

Vn -KM iuCos(mif+6)+I0sin(mq +б) f

где Lf - угол поворота ротора;

m - число пар полюсов (число электрической редукции редуктосина) ;

пространственный сдвиг фаз; конструктивный параметр, определяемый схемой намотки и характеристиками магнитопро- вода датчика 9 положения, Знаки в выражениях (5) для потоко- сцепления определяются направлением включения обмоток 10 - 13

В дальнейшем принимают условие: пространственный сдвигфаз , что достигается начальным разворотом статора датчика 9 положения„

По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в синусной 12 и косинусной 13 обмотках, равна

dv

е dt

(6)

Тогда, предполагая достаточно большую величину сопротивления нагрузки (режим холостого хода), получают напряжение на выходе синусной обмотки 12

3,2 dq /Мг 3,2 (3t Э1Г dt} ( Q)

Изобретение относится к управляемым вентильным электродвигателям. Цель изобретения - повышение энергетических показателей. Электродвигатель содержит двухфазную синхронную машину 1, подключенную через усилители мощности синусного и косинусного каналов усиления к преобразователю координат с датчиком положения 9 и двумя фазочувствительными демодуляторами 24 и 25. Датчик положения выполнен на четырехобмоточном бесконтактном вращающемся трансформаторе типа редуктосин с основной 10 и дополнительной 11 обмотками возбуждения. Основная обмотка возбуждения подключена к генератору опорных напряжений через задатчик 14 скорости, а дополнительная обмотка выполнена перпендикулярной и подключена к источнику 16 постоянного тока. Такое включение приводит к формированию в сигналах выходных обмоток вращающегося трансформатора составляющих, пропорциональных угловой скорости, которые используются для введения тахометрической обратной связи. Разности между заданными и фактическими значениями скорости каналов управления выявляются фазочувствительными демодуляторами, выполненными в виде последовательно соединенных импульсной фазочувствительной схемы и схемы запоминания амплитуды входного сигнала. Это позволяет уменьшить запаздывание в каналах управления и тем самым улучшить энергетические показатели. Электродвигатель предназначен для регулируемых приводов с высокой равномерностью вращения и линейностью регулировочных характеристик. 4 ил.

f U ч , J L Jt UJC°SCOt

(3)

Il3 J L L6J где L - индуктивность обмотки 10 воз- бужденияо

Последнее выражение справедливо, если пренебречь активным сопротивлением обмотки 10 возбуждения, что обычно выполняется в датчиках поло- жения вентильных электродвигателей при достаточно высокой частоте СО опорного напряжения

Напряжение U0 источника 16 постоянного тока создает в перпендикулярной обмотке 11 возбуждения постоянный ток 1Л :

Но о R

(3)

воз- 45

(7)

dM

где 52 тг частота (скорость) вращения ротора 2„

Это выражение получено в соответствии с правилом дифференцирования сложной функции о

Подставляя в (7) выражение (5), получают после преобразований

U

а

(С) + и|г (К) ,

(8)

где uL(C)- -- ) tra cp - синфаз- Ь и

(4)

ная высокочастотная составляющая (9);

Г7 A costot cos mq - квад- L U j

ратурная высокочастотная составляющая (10);

U

(i „ U0 .

( D 52 sin высокочастотная

составляющая (11) Синфазная (9) и квадратурная (10) составляющие определяются относительн фазы опорного напряжения U0 .

Напряжение поступает на сигнальны запоминающего элемента 24 (фиг0 а,б,в), на опорный вход которого подаются короткие импульсы с выхода фомирователя 27 импульсов0 I

Эти импульсы формируются из опорного напряжения U M путем дифференцирования сигнала U26 компаратора 26 (фиг.4 г,д,е)„ При отсутствии импуль сов полевой транзистор 31 (фиг,3) заперт положительным напряжением смещения. Открывание транзистора 31 осуществляется импульсом отрицательной полярности (фиг.5)о При этом на кон- демсаторе 30 запоминается текущее значение напряжения U, передаваемое операционным усилителем 29 на вход запоминающего элемента 24 о Как следует из фиг04 в,ж, запомненное значение напряжения равно

(C)( - jk) sinmV AQ sin mif,(12

rrtP Д К (-$ - -Й-ОЧ

где.А0-км чь R я Jo

Квадратурная высокочастотная составляющая (Ю) запоминающим элементом 24 подавляется, так как полевой транзистор 31 открывается в моменты

,у

Qt п- -- , где п 1, 2, когда

uJe(K)- --Ј7,р An cosCOt cos m cf 0

Аналогичным образом напряжение на выходе запоминающего элемента 24 равно

(13

UK AO cos mcf ,

Полученные сигналы после усиле- ния в усилителях 5 и 6 мощности поступают на фазные обмотки 3 и 4 синхронной машины в виде фазных напряжений:

U5 A sinmCf ;(J4)

Ug A q cos mu, где K,,A0;

К - коэффициент усиления усилителей 5 и 6 мощности В соответствии с принципом действия вентильного электродвигателя эти напряжения образуют в расточке статора синхронной машины 1 вращающее магнитное поле, которое создает вращающий момент двигателя, приводящий ротор 2 во вращение с частотой, пропорциональной амплитуде фазных напряжений и и Tjg 0 Следовательно

2-Ke0V roy(L А9 г

где КЪ1)- конструктивный коэффициент электромеханического преобразования 0

Решая уравнение (15) относительно Г2 , получают

К |

т М 4 К .P-Eii M

L UR)

Для нормальной работы устройства необходимо выполнение следующего условия :

Ко КбоКЛи°/К 1,(17)

а где К - глубина обратной связи по

скорости

При выполнении условия (17) выражение (16) принимает вид:

-- R

(18)

Таким образом, устройство поддерживает скорость вентильного двигателя пропорциональной амплитуде напряжения уставки скоростио При этом плавное изменение скорости вентильного электродвигателя и его реверс осуществляются, например, потенциометром 37 (фиг.4), а стабилизация скорости обеспечивается тахометрической обратной связью, глубина которой может регулироваться напряжением U0 источника 16 постоянного тока.

Вентильный электродвигатель может найти применение в системах, требующих высокой линейности регулировочных характеристик, высокой равномерности скорости вращения и высоких энергетических показателей,,

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с синусной и косинусной фазами обмотки якоря на статоре, датчик положения, выполненный в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора с основ- ной и дополнительной обмотками возбуждения, синусной и косинусной выходными обмотками, механически соединенный с ротором синхронной машины, причем дополнительная обмотка возбужде- ния предназначена для подключения к источнику постоянного тока, первый и второй фазочувствительные демодуляторы, первые входы которых подключены соответственно к синусной и коси- 15 импульсной фазочувствительной схемы

и схемы запоминания, квадратурный выход генератора опорных напряжений подключен через последовательно соединенные компаратор и формирователь

нусной обмоткам датчика положения, вторые входы обоих демодуляторов связаны с выходом генератора опорных напряжений, а выходы подключены соответственно к входам первого и второго 20 импульсов к управляющим входам пер- усилителей мощности, выходы которых вой и второй фазочувствительных схем, подключены соответственно к синусной сигнальные входы которых соединены и косинусной фазам обмотки якоря син- соответственно с синусной и косинус- хронной машины, основной выход гене- ной выходными обмотками датчика по- ратора опорных напряжений подключен 25 ложения

I

Г

I

II

3

Фиг. 2

к основной обмотке возбуждения через задатчик скорости, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей, в него дополнительно введены компаратор и формирователь импульсов, дополнительная обмотка возбуждения датчика положения установлена перпендикулярно основной обмотке, генератор опорных напряжений снабжен квадратурным выходом, каждый фазочувствительный демодулятор выполнен в виде последовательно по входу-выходу соединенных

и схемы запоминания, квадратурный выход генератора опорных напряжений подключен через последовательно соединенные компаратор и формирователь

импульсов к управляющим входам пер- вой и второй фазочувствительных схем, сигнальные входы которых соединены соответственно с синусной и косинус- ной выходными обмотками датчика по- ложения

U

§

ll1 11

4:5

ЛЧ

wt-Jdllt и

I

Фиг.З

ЈЈ &

Ј

П

Wt$ 6

и,

w

а

кuwh

Uc

ж

Ljt

b)t

1Л

b)t

«Л

-э

Фиъ.Ь