Управляемый вентильный электродвигатель Советский патент 1990 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано в регулируемом электроприводе с вентильным электродвигателем и является дополнительным к изобретению по авт.св. № 1458961.

Целью изобретения является повышение надежности работы при питании от источников ограниченной мощности.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема управляемого вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу электродвигателя.

Управляемый вентильный электродвигатель содержит два мостовых инвертора 1 и 2, плечи каждого мостового инвертора образованы соединенными встречно попарно транзисторами 3,4 и 5,6. Каждый из транзисторов 3-6 шунтирован одним из диодов 7- 10. В первую диагональ каждого мостового инвертора 1,2 включена соответствующая секция 11 фазы обмотки якоря синхронного двигателя.

Управляемый вентильный электродвигатель содержит также трансформатор 12, основная обмотка 13 которого имеет вывод средней точки, Начало этой обмотки подключено первому выводу 14 второй диагонали мостового инвертора 1, а конец обмотки 13 - к первому выводу второй диагонали мостового инвертора 2. Вторые выводы вторых диагоналей каждого мостового инвертора 1,2 подключены к клемме 15 для подключения источника постоянного тока. Управляемый вентильный электродвигатель включает в себя также датчик 16 положенияроторасинхронногоэлектродвигателя. Управляемый ключ 17 включен между другой клеммой для подключения источника постоянного тока и средней точкой обмотки 13 трансформатора 12. Широтно-импульсный модулятор-регулятор (шим-регулятор) 18 своим выходом подключен к управляющему входу ключа 17. Трансформатор 12 содержит две дополнительные обмотки 19 и 20, каждая из которых выполнена с выводом средней точки. Каждый мостовой инвертор содержит также диоды 21 и 22, конденсатор 23, управляющие транзисторы 24 и 25 и восемь резисторов 26-33. Каждый из первых четырех резисторов 26- 29 включен параллельно переходу база- эмиттер одного из транзисторов 3-6 мостового инвертора. Пятый 30 и шестой 31 резисторы включены соответственно между базами транзисторов 4 и 5, 6 и 3 противоположных плеч мостового инвертора. Каждый из управляющих транзисторов 24 и 25 подключен переходом коллектор-эмиттер параллельно переходам база-коллектор соответственно транзисторов 4 и 6. соединенных с первой клеммой для подключения источника постоянного тока. Базы управляющих транзисторов 24 и 25 подключены к выходам датчика 16 положения ротора. Начало и конец обмотки 19 трансформатора 12 подключены через диоды 21 и 22 к первым выводам конденсатора 23, седьмого 32 и восьмого 33 резисторов. Второй вывод конденсатора 23 и средняя

0 точка обмотки 19 подключены к первому выводу 14 второй диагонали мостового инверто- ра.а вторые выводы седьмого 32 и восьмого 33 резисторов подключены соответственно к базам транзисторов 3 и 5, включенных в

5 смежные плечи мостового инвертора 1 и связанных с первым выводом 14 второй диагонали мостового инвертора. Средний вывод основной обмотки 13 трансформатора 12 подключен к второй клемме для подклю0 чения источника постоянного тока через управляемый ключ 17, вход управления которого подключен к выходу широтно-им- пульсного модулятора 18. Обмотка 20 подключена во втором мостовом инверторе 2

5 аналогично подключению обмотки 19. Управляемый вентильный электродвигатель дополнительно содержит два мостовых инвертора 34 и 35. В первую диагональ инвертора 34 включена секция 36

0 соответствующей фазы обмотки якоря, вторая диагональ мостового инвертора 34 подключена параллельно мостовому инвертору 1 к выводу 14 второй диагонали мостового инвертора 1 и клемме 15 для подключения

5 источника постоянного тока. Последовательно в цепи транзисторов мостовых инверторов 1 и 34 включены предохранители 37-44. Аналогично включены предохранители в цепях транзисторов мостовых инверто0 ров 2 и 35. Управляемый ключ 17 подключен к клемме для подключения источника тока через датчик 45. Выход датчика 45 тока подключен к входам первого 46 и второго 47 компараторов. Выход второго компаратора

5 47 через первый размыкатель 48 подключен к второму входу элемента ИЛИ-НЕ 49. Первый вход элемента ИЛИ-НЕ 49 подключен к выходу первого компаратора 46. Выход элемента ИЛИ-НЕ 49 подключен к входу широт0 но-импульсного модулятора 18. Третий компаратор50 своим выходом подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ 49. Четвертый компаратор 51 своим выходом подключен к управляющему входу второго

5 размыкателя 52. Пятый компаратор 53 через второй размыкатель 52 подключен к управляющему входу первого размыкателя 48. Входы третьего 50, четвертого 51 и пятого 53 компараторов объединены и подключены . к выходу тахогенератора 54.

Управляемый вентильный электродвигатель работает следующим образом.

В исходном состоянии при подаче напряжения на электродвигатель на выходе ШИМ-регулятора 18 появляется сигнал вы- сокого уровня, ключ 17 замкнут и через обмотки электродригателя начинает протекать ток. Одновременно на выходах первого 46, второго 47, третьего 50 компараторов появляются сигналы высокого уровня, а на выходах четвертого 51 и пятого 53 компараторов появляются сигналы низкого уровня. Пороги срабатывания устанавливаются соответственно напряжениями Ui, U2, Us, IU и Us, причем Ui Ua (в 2-3 раза), а Кз LU. а Щ Us, например, в макете преобразователя электродвигателя ДБ60-60-6 U3 6 В, U4 5 В, a Us 3 В. Первый компаратор 46 выполняет функции токового ограничения при аварийной ситу- ации в каком-либо из мостовых инверторов 1,2,34 и 35, второй компаратор 47 выполняет функции токового ограничения при разгоне и нормальной работе электродвигателя. Третий компаратор 50 осуществляет режим регулирования частоты вращения вала посредством тахогенератора 54 Четвертый 51 и пятый 53 компараторы и размыкатели 48 и 52 осуществляют подключение второго компаратора 47, предназна- ченного для разгона электродвигателя в нормальном режиме при ограниченной величине пускового тока. Порог срабатывания первого компаратора 46 настраивается с помощью напряжения Ui исходя из макси- мально допустимой величины тока, потребляемого от автономного источника и достаточного для надежного срабатывания предохранителей. Как правило, величина тока, при котором срабатывает первый ком- паратор. в 4-5 раз больше номинального тока, а величина тока, при котором срабатывает второй компаратор 47, в 1,5-2 раза больше номинального. Настройка второго компаратора 47 производится посредством напряжения U2.

Разгон управляемого ВД происходит на заданной величине тока, определяемого величиной напряжения U2 (в 1,5-2 раза выше номинального значения). На фиг 2а пред- ставлена механическая характеристика вентильного электродвигателя при разгоне электродвигателя до номинальной стабилизированной частоты вращения, а на фиг. 26 - механическая характеристика в случае отказа какого-либо из транзисторов 3-6 инверторов 1,2,34 и 35. Пятый 53 компаратор срабатывает при напряжении на управляющем входе, меньшем напряжения настройки Us, имеет на выходе сигнал низкого уровня, а четвертый компаратор 51 имеет на выходе сигнал низкого уровня при напряжении на управляющем входе, меньшем напряжения настройки U4, причем U4 Us (в данном случае Us 3 В, U4 4 В). Размыкатели 48 и 52 при напряжении низкогоуровня или его отсутствии на управляющих входах замкнуты, а при появлении на управляющих входах напряжения высокого уровня - разомкнуты. Размыкатели могут быть реализованы на операционных усилителях, транзисторах, логических элементах.

Таким образом, несмотря на то, что на управляющем входе второго размыкателя

52при разгоне ВД до частоты вращения вала, соответствующего напряжению на входе пятого компаратора UTr Us, будет сигнал низкого уровня от четвертого 51 компаратора, первый размыкатель будет замкнут, так как на его управляющем входе будет сигнал низкого уровня от пятого 53 компаратора. Второй компаратор 47. настроенный с помощью напряжения U2 на величину тока И (фиг.2а), через первый размыкатель 48 (состояние замкнуто) будет ограничивать ток двигателя на заданной величине li до частоты вращения вала двигателя, соответствующего напряжению с тахогенератора Urr Us- Как только частота вращения вала ВД превысит частоту, соответствующую напряжению с тахогенератора UTr Us. на выходе пятого компаратора,

53появится сигнал высокого уровня (на управляющем входе пятого 53 компаратора сигнал низкого уровня, так как Us Uir

. первый размыкатель 48 сработает и разорвет цепь второго компаратора 47. Параллельно работающий первый компаратор 46. настроенный посредством напряжения Ui на ток. в 4-5 раз превосходящий номинальное значение, вступит в работу (шунтирующее воздействие второго 47 компаратора исключено с помощью первого размыкателя 48). Произойдет некоторое незначительное увеличение тока при увеличении частоты вращения вала, соответствующем напряжению тахогенератора Us4

UTr U4 (фиг.2а, пунктирная кривая). Как только UTr . сработает четвертый компаратор 51. и на его выходе появится сигнал высокого уровня. Сигнал высокого уровня с выхода четвертого компаратора 51 через второй размыкатель 52 разомкнет цепь управляющего входа первого размыкателя 48, который в свою очередь подключит второй компаратор 47 и зашунтирует первый компаратор 46, управляемый ВД продолжит разгон до номинальной частоты вращения,

соответствующей Urr Ua при токе И (фиг.2а, LM Urr Us).

При этом второй компаратор 47, настроенный посредством напряжения U2 на величину тока И (1,5-2) IN, защищает ВД от возможных помех по цепям управления и питания.

В случае деградации какого-либо из транзисторов 3-6 мостовых инверторов 1,2,34 и 35 начнет быстро снижаться частота вращения вала ВД, так как вступит в работу второй компаратор 47. При достижении частоты вращения вала, когда на тахогенера- торе 54 появится напряжение, равное Ш, на выходе четвертого компаратора 51 появится напряжение низкого уровня, второй размыкатель 52 подключит пятый 53 компаратор (на его выходе напряжение высокого уровня, при этом Urr Us), и первый размыкатель 48 отключит второй компаратор 47. Первый компаратор 47 ограничивает ток на величину И (4-5) IN. Частота вращения вала ВД продолжает снижаться, и в диапазоне напряжений Us UTr U4 происходит выгорание предохранителей в цепи отказавших ключей и синхронный электродвигатель начнет увеличивать частоту вращения вала для нормально функционирующей схемы управляемого ВД. Двигатель восстановит работоспособность на оставшихся резервных ключах. При дальнейшей работе двигателя, так как ключи имеют определенное для каждого транзистора время активной работы, допустим, что деградирует какой-то из оставшихся транзисторов, опять произойдет снижение частоты вращения вала, подключение первого компаратора 46, выгорание соответствующего предохранителя и отключение отказавшегося транзистора (процесс может повторяться до 5 раз:3 в одной фазе и 2 в другой). После того, как откажут все транзисторы в одной фазе ВД уже не сможет выйти на заданную частоту вращения и при достижении частоты вращения, при которой UTT Us, пятый компаратор 53 через замкнутое состояние второго размыкателя 52 низким уровнем сигнала подключит первый размыкатель 48 и второй компаратор 47 будет поддерживать максимальное значение тока на величине не более (1,5-2) IN. На фиг. 26 ломаной линией показан процесс .окончательного отказа ВД, а прямой линией на уровне U4 процесс отключения деградирующего транзистора.

Таким образом, существенно повышена

надежность электродвигателя и защита автономного источника от бросков пускового тока. Время выгорания предохранителей лежит в диапазоне 0,1-0,2 с, что, как правило, не опасно для автономного источника и бортовой аппаратуры.

Электродвигатель целесообразно использовать в насосах и вентиляторах автономных систем терморегулирования с

0 наработкой 55000 - 120000 ч и электроприводах, где необходимо поддерживать посто- янство частоты вращения вала при невозможности регламентных работ.

5 Формула изобретения

Управляемый вентильный электродви- гатель по авт.св. № 1458961, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения надежности, каждая фаза обмотки якоря

0 снабжена дополнительной секцией и введены два мостовых инвертора, к первым диагоналям которых подключены дополнительные секции якорной обмотки синхронного электродвигателя, восемь предо5 хранителей в каждой фазе якорной обмотки, датчик тока, тахогенератор, пять компараторов, два управляемых размыкателя и логический элемент ИЛИ-НЕ, причем вторые диагонали введенных мостовых инверторов

0 подключены параллельно основным мостовым инверторам, каждый из введенных предохранителей подключен последовательно с каждым из транзисторов основного и введенного мостовых инверторов в каждой фа5 зе якорной обмотки, датчик тока включен между клеммой для подключения источника постоянного тока и одним из силовых выводов управляемого ключа, а выход датчика тока соединен с входами первого и второго

0 компараторов, выход первого компаратора подключен к первому входу логического элемента ИЛИ-НЕ, выход второго компаратора через первый управляемый размыкатель - к второму входу логического элемента ИЛИ5 НЕ, выход которого подключен к входу ШИМ-регулятора, третий вход элемента ИЛИ-НЕ соединен с выходом третьего компаратора, выход четвертого компаратора подключен к управляющему входу второго

0 управляемого размыкателя, выход пятого компаратора через второй управляемый размыкатель связан с управляющим входом первого управляемого размыкателя, входы третьего, четвертого и пятого компараторов

5 объединены и подключены к выходу тахоге- нератора.

а

4

00 Мн М, IH If

т I

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в электроприводе с вентильным электродвигателями. Цель изобретения - повышение надежности. В управляемый вентильный электродвигатель дополнительно введены два мостовых инвертора 34 и 35. В первую диагональ инвертора 34 включена дополнительная секция 36 обмотки якоря. Последовательно в цепи транзисторов мостовых инверторов 1 и 34 включены предохранители 37 - 44. Аналогично включены предохранители в цепях транзисторов инверторов 2 и 35. С помощью пяти компараторов 46, 47, 50, 51, 53, двух размыкателей 48, 52, датчика 45 тока, тахогенератора 54, управляемого ключа 17 и широтно-импульсный регулятора 18 в управляемом вентильном электродвигателе постоянно производится опрос состояния при снижении частоты вращения вала ниже допустимой величины, равной напряжению тахогенератора 54. При снижении происходит перевод двигателя в режим токоограничения при большем токе и электродвигатель может работать при стабилизированной частоте вращения с большей нагрузкой на валу. При деградации силового транзистора происходит его отключение. 2 ил.

Фиг.2