Вентильный электродвигатель Советский патент 1991 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к электротехнике.

Целью изобретения является повышение надежности.

На чертеже приведена принципиальная схема вентильного электродвигателя.

Вентильный электродвигатель содержит двухфазный синхронный двигатель с постоянными магнитами на роторе 1 и четы- рехсекционную обмотку на якоре, секции 2, 3 и 4,5, которой принадлежат соответственно первой и второй фазам. Последовательно с секциями 2, 3 и 4, 5 соединены транзисторные ключи 6, 7 и 8, 9 соответственно, которые образуют вместе с секциями две ячейки коммутации 10 и 11, которые зашунтирова- ны диодами 12 и 13. В ячейках коммутации

10и 11 начало секции 2 соединено с концом секции 3, а начало секции 4 - с концом секции 5, а выходы транзисторных ключей 6-9 объединены и подключены к первому зажиму цепи питания. На валу синхронного двигателя установлен датчик 14 положения ротора (ДПР), выходные обмотки 15 и 16 которого через формирователь 17 зоны коммутации транзисторных ключей соединены с управляющими входами транзисторных ключей 6- 9, а также с входами фазочувствительных выпрямителей 18 и 19 соответственно. Выход генератора 20 пилообразного (опорного) напряжения соединен с входами широтно- импульсных модуляторов (преобразователей) 21 и 22, к другим входам которых подключены выходы фазочувствительных выпрямителей 18 и 19, а выходы широтно-импульсных преобразователей 21 и 22 соединены соответственно с управляющими входами импульсных регуляторов 23 и 24 напряжения, подключенных к второму зажиму цепи питания.

К первому зажиму цепи питания схемы подключен коллектор дополнительного транзисторного ключа 25 прямой проводимости, эмиттер которого соединен с катодами диодов 26 и 27 первой пары. Аноды диодов 26, 27 соединены с объединенными выводами секций 2, 3 и 4, 5 в ячейках коммутации 10 и

11соответственно, и с катодами диодов 28, 29 второй пары, которые включены в прямом направлении между каждым импульсным регулятором 23 и 24 ячейкой коммутации 10 и

11 соответственно. База транзисторного ключа 25 прямой проводимости соединена с катодами диодов 30, 31 третьей пары, соединенных анодами с анодами диодов 28 и

29 второй пары соответственно, один вывод резистора 32 подклюяен к анодам диодов 35,36 34 четвертой пары и к анодам диодов 35, 36 пятой пары, а другой вывод резистора - к базе транзисторного ключа 25. Катоды диодов 33-36 подключены к выводам секций 2-5 фаз двигателя, соединенным в ячейках коммутации с транзисторными ключами 6- 9, шунтированных обратными диодами 37- 40 соответственно.

На чертеже показан задатчик скорости 41, соединенный через модулятор 42 с входной обмоткой 43 датчика положения ротора. Модулятор 42, фазочувствительные выпрямители 18, 19 выполнены на операционных усилителях с ключами на входе, которые управляются от отдельного генератора прямоугольных напряжений, используемого также для формирования опорного пилообразного или треугольного напряжения в re

нераторе 20.

На выходе фазочувствительных выпрямителей установлены фильтры нижних частот.

В широтно-импульсных преобразователях 21, 22 реализуется принцип сравнения напряжения управления (напряжение с вы хода фазочувствительного выпрямителя) с опорным треугольным разнополярным напряжением, формируемым генератором 20

Каждый широтно-импульсный преобразователь выполнен на двух компараторах и двух логических элементах И и ИЛИ-НЕ. На одном компараторе осуществляется сравнение выходного напряжения фазочувствительного выпрямителя с опорным треугольным напряжением, на другом - с инвертированным опорным напряжением. Формирование опорных напряжений происходит с помощью ин тегратора и инвертора, выполненных на

операционных усилителях. Выходы компараторов подключены к входам элементов И и ИЛИ-НЕ, выходы которых подключены к входам логического элемента ИЛИ. При положительной полуволне напряжения с выхода

фазочувствительного выпрямителя модулированные по длительности импульсы формируются на выходе элемента И, при отрица- ip/ibnon полуволне на выходе элемента ИЛИ НЕ а на выходе элемента ИЛИ импульсы формируются в течение всего периода напряжения управления На выходе элементов ИЛИ в каждом широтно-импуль- сном преобразователе 21 и 22 установлен промежуточный усилитель, соединенный с логическим элементом ИЛИ посредством оп- то-электронного прибора, представляющего собой двух полярный усилитель мощности, выполненный на комплементарных транзисторах. Выход усилителя мощности является выходом широтно-импульсного преобразователя

Формирователь 17 зоны коммутации преобразует синусоидальные напряжения с выходных обмоток датчика положения ротора

14в прямоугольные напряжения и выполнен на двух компараторах, двух инверторах и четырех двухполярных усилителях мощности идентичных с усилителями мощности в широтно-импульсных преобразователях Выходы усилителя мощности подключены к управляющим входам транзисторных ключей 6-9, в качестве которых использованы транзисторы с встроенными обратными диодами В качестве транзисторного ключа 25 прямой проводимое и попользован транзистор выполненный по схеме Дарлингтона Импульсные регуляторы напряжения 23, 24 представляй; собой транзисторные усилители, рэботзюи ие а ключевом режиме

Вентильный электродвигагель работает следующим обрзлсм

Формируемое с помощью зэдатчика 41 скорости управляющее напряжение Uy по- , ту пас т на вход модулятора 42 Выходное напряжение модулятора амплитудчо модулированный рззнололярный злектриче С ии игнал постоян ой частоты поступает ча входную обмотку 43 датчика положения ротора ДПР 14 например синусно-косинусно- го вращающегося трансформатора, согласованного по количеству полюсов с синхронным двигателем. При этом на выходных обмотках

15и 16 ДПР формируются модулированные напряжения, амплитуды которых пропорциональны синусу и косинусу угла поворота ротора 1 двигателя относительно статора (якиря и одновременно зависят от характе- оа и амплитуды выходного напряжения за- датчика скорости, Огибающие переменных напряжений на обмотках 15 и 16 ДПР описываются уравнениями

U 15 - Uy К

U ю Uy-K-COSy p где К - коэффициент трансформации ДПР.

f - угол поворота ротора 1 электродвигателя,

Р - число пар полюсов ДПР. Напряжения Uis и Uie с выходных обмоток ДПР поступают на формирователь 17 зоны коммутации и на входы фазочувстви- тельных выпрямителей (ФЧВ) 18, 19. При этом на выходах ФЧВ формируются синусоидальные напряжения, сдвинутые по фазе

на 90°, амплитуда которых пропорциональна напряжению Uy, т.е. Uie иу-К-Кф-sin p U19 иу-К-Кф-со5 р где Кф - коэффициент усиления фазочувствительных выпрямителей 18, 19, а на прямых выходах формирователя 17 зоны коммутации в положительный полупериод напряжений Uis и Uie формируются импульсы прямоугольной формы с длительностью,

соответствующей зоне коммутации на включение, например, транзисторных ключей 6. 8 ячеек коммутации 10, 11. В отрицательный полупериод напряжений на выходных обмотках ДПР формирователь 17

формирует на инверсных выходах прямоугольные импульсы на включение транзисторных ключей 7, 9 ячеек коммутации, при этом транзисторные ключи 6, 8 закрыты. Выходные напряжения ФЧВ 18.19поступают на широт io-импульсные преобразователи (ШИП) 21,22, где происходит сравнение их с выходным напряжением генератора 20, При этом на управляющих входах импульсных регуляторов напряжений 23 и 24 формируется последовательность прямоугольных импутьсов, скважность которых определяется частотой импульсов генератора 20 и изменяется пропорционально выходному напряжению фазочувствительных выпрямителей Предположим, что при появлении положительного управляющего напряжения Uy на выходе задат«ика скорости 41 фаза напряжения на выходе мгдулятора 42 такова, что на выходных обмотках 15, 16 ДПР и

выходах ФЧВ начинают формироваться положительные полуволны синусоидального напряжения. В этом случае на выходах ШИП 21, 22 появляются модулированные по длительности прямоугольные импульсы, а на

прямых выходах формирователя 17 появляются прямоугольные импульсы, включающие транзисторные ключи 6 и 8 ячеек коммутации 10 и 11. В течение импульса ШИП импульсный регулятор напряжения (ИРН) 23

(24) открыт, и ток от полюса источника питания протекает по цепи: ИРН 23 (24), диод 28 (29), секция 2 (4) фазы двигателя, транзисторный ключ 6 (8), минус источника питания Пока открыт ИРН 23 (24) и по диоду 28

(29) протекает ток, база транзисторного ключа прямой проводимости (ТКПП) 25 оказывается соединенной через диод 30 (31) с положительной шиной источника питания, а падение напряжения на диоде 28 (29), является для его входной цепи запирающим (плюс на базе, минус на аноде диода 26/27), и. следовательно, ТКПП 25 во время действия импульса управления закрыт. По окончании действия импульса управления, когда ИРН 23 (24) перейдет в режим отсечки (полностью закроется) секция 2 (4) отключается от источника питания, но так как транзисторный ключ 6 (8) остается открытым, то ток в секции 2 (4) продолжает протекать в том же направлении за счет запасенной в индуктивности секции магнитной энергии, замыкаясь в контуре: секция 2 (4), открытый транзисторный ключ 6 (8), обратный диод 12 (13). В дальнейшем, во время действия импульсов управления ШИП 21 (22), через включенные ИРН 23 (24) и транзисторные ключи 6 (8) обеспечивается протекание тока по секциям 2 (4) фаз якорной обмотки двигателя от источника питания, в паузах между импульсами открытый транзисторный ключ 6 (8) вместе с обратным диодом 12 (13) образуют контур для протекания тока в прежнем направлении под действием ЭДС самоиндукции.

Так как секции 2 и 4 обмотки якоря сдвинуты одна относительно другой на 90 эл. град., то магнитные потоки, создаваемые токами секций, обуславливают возникновение результирующего кругового вращающего магнитного поля в расточке статора, которое, взаимодействуя с полем постоянных магнитов ротора 1, создает вращающий электромагнитный момент, в результате чего ротор 1 двигателя начнет поворачиваться в том же направлении, например вперед, что и поле статора. При повороте ротора 1 двигателя поворачивается также и ротор ДРП 14, механически связанный с валом двигателя, что приводит к изменению амплитуды и фазы напряжений на его выходных обмотках 15, 16 и, соответственно, к изменению амплитуды и фазы напряжений на выходах ФЧВ 18, 19 по синусоидальному закону со сдвигом на 90 эл.град.

В положениях ДПР 14, когда выходные напряжения Die и Uig ФЧВ проходят через нуль, исчезают импульсы управления на прямых выходах формирователя 17 на включение транзисторных ключей 6 и 8 и формируются импульсы на его инверсных выходах на включение транзисторных ключей 7, 9. Транзисторные ключи 6, 8 закрываются, и при включении ИРН 23 (24) ток от источника

питания протекает по секциям 3 (5) через ключи 7 (9).

В паузе между импульсами, когда ИРН 23 (24) закрыт, ток в секции 3 (5) также протекает в прежнем направлении, замыкаясь через включенный транзисторный ключ 7 (9) и обратный диод 12 (13).

Так как на выходе ШИП формируется последовательность импульсов, длитель0 ность которых изменяется в течение интервала коммутации по синусоидальному закону, определяемому формой огибающей напряжения ФЧВ, следовательно, и ИРН формируют напряжение на секциях 2-5 об5 мотки электродвигателя, изменяющееся по синусоидальному закону. В связи с тем. что секции 2. 3 и 4, 5 фаз обмотки двигателя в каждой ячейке коммутации сдвинуты на 180 эл.град., а фазы на 90 эл.град,. то при пооче0 редном подключении секций ячейки к источнику питания они создают магнитный поток, также изменяющейся по синусоидальному закону. Сумма потоков фаз обмотки двигателя образует вращающееся магнитное по5 ле статора, взаимодействие которого с полем ротора, создает постоянный вращающий момент электродвигателя, приводящий его ротор 1 во вращение.

При увеличении управляющего напря0 жения Uy с задатчика скорости увеличивается скважность импульсов управления ШИП и, следовательно, возрастает амплитуда первой гармоники модулированного напряжения на обмотках двигателя и, соответст5 венно, скорость вращения ротора 1. При вращении ротора, как известно, в секциях якоря наводятся ЭДС вращения, направленная встречно приложенному напряжению, и изменяющаяся по синусоидальному

0 закону.

В переходных режимах работы электропривода, например при сбросе нагрузки на валу двигателя или уменьшении управляющего напряжения в замкнутых системах регу5 лирования с обратной связью по скорости, скважность управляющих импульсов ИРН 23 (24) уменьшается и может стать равной нулю, т.е. ЭДС вращения может стать больше приложенного к секции среднего напря0 жения.

Предположим, что перед началом пере ходного процесса были открыты в ячейках коммутации 10, 11 транзисторные ключи 6 и 8. При исчезновении импульсов управления

5 на ИРН 23 (24) ток через диоды 28 (29) не протекает, при этом ТКПП 25 автоматически открывается под действием ЭДС вращения секций 2 (4) по цепи: начало секции 2 (4), диод 26 (27), переход эмиттер-база, рези стор 32, диод 33 (36), коней секции 2 (3) Ток

в секциях меняет свое направление и протекает по цепи: начало секции 2 (4), диод 26 (27), переход эмиттер-коллектор ТКПП 25, обратный диод 37 (39), конец секции 2 (4). Когда открыты ключи 7 (9), под действием ЭДС вращения уже секций 3 (5) открывается снова ТКПП 25 по цепи: конец секции 3 (5). диод 26 (27), переход эмиттер-база, резистор 32, диод 34 (35), начало секции 3 (5) и образует уже вместе с диодами 26, 38 (27, 40) контур для протекания тока по секциям 3 (5) в направлении, противоположном двигательному режиму работы. Следовательно, в переходных режимах работы секции обмотки двигателя подключаются автоматически поочередно параллельно транзисторному ключу прямой проводимости 25, при этом в электроприводе осуществляется автоматически перевод двигателя в режим торможения, т.е. происходит частичный сброс запасенной в двигателе электромагнитной энергии и его подтормаживания, что обуславливает более быстрое протекание переходных процессов в электроприводе по сравнению с известными электроприводами.

При останове двигателя, когда снимаются импульсы управления, а также в аварийных режимах, например при исчезновении питания на двигателе или схеме управления в известном электроприводе транзисторные ключи в ячейках коммутации и импульсные регуляторы напряжения становятся неуправляемыми. Двигатель, вращаясь по инерции, продолжает приводить механизм вдвижение, что является недопустимым для некоторых устройств, например сканирующих антенн, так как тормозной путь может быть больше углов выбега и при выходе антенны из зоны рабочих углов может произойти поломка механизма.

В аварийных режимах в электроприводе секции 2-5 обмотки двигателя отключаются транзисторными ключами 6-9 и ИРН 23, 24 от зажимов цепи питания и под действием наведенных в них ЭДС вращения открывается автоматически транзисторный ключ прямой проводимости 25 и вместе с введенными диодами образует контуры торможения. Токи в секциях обмотки меняют свое направление и создают тормозной электромагнитный момент, противоположный моменту вращения, в результате происходит быстрый останов электродвигателя. Для ограничения амплитуды тормозного тока в коллекторную цепь ТКПП 25 может быть включен резистор.

При смене полярности управляющего напряжения Uy на выходе задатчика скорости 41 изменяется на 180 эл.град. фаза выходного напряжения модулятора 42 и, как

следствие, фаза напряжений на выходных обмотках ДПР и выходах фазочувствительных выпрямителей, а также очередность появления импульсов на выходах формирователя зоны коммутации 17. Теперь транзисторные

ключи 6-9 включаются в последовательности 7, 9, 6, 8, что приводит к изменению очередности коммутации секции обмотки двигателя и соответственно к изменению направления вращающего электромагнитного момента. Ротор двигателя приходит в движение и вращается в направлении назад, при этом коммутационные процессы происходят аналогичным образом, что и при вращении двигателя вперед. Таким образом. за счет введения новых элементов осу- ществляется автоматически перевод двигателя в режим торможения в переходных режимах работы и в аварийных ситуациях, что повышает надежность работы и

быстродействие электропривода.

Формула изобретения Вентильный электродвигатель по авт.св. № 1350773, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, введены четыре обратных диода, резистор, пять пар диодов и транзисторный ключ прямой проводимости, коллектор которого подключен к первому зажиму цепи питания, а эмиттер соединен с катодами диодов первой пары,

анод каждого из которых соединен с общей точкой выводов секций соответствующей фазы двухфазной обмотки ч коря и с катодом соответствующего диода второй пары, включенного в прямом направлении последовательно

между одним из импульсных регуляторов и одной из ячеек коммутации, база транзисторного ключа прямой проводимости соединена с катодами диодов третьей пары, анод каждого из которых соединен с анодом

соответствующего диода второй пары, один вывод резистора подключен к базе упомянутого транзисторного ключа, а второй вывод резистора соединен с анодами диодов четвертой и пятой пар, катоды диодов четвертой пары соединены соответственно с коллекторами транзисторных ключей одной ячейки коммутации, а катоды диодов пятой пары - с коллекторами транзисторных ключей другой ячейки коммутации, каждый из

транзисторных ключей упомянутых ячеек коммутации шунтирован одним из обратных диодов.

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности. С этой целью введены резистор 32, диоды 26 - 29, 33 - 40 и транзисторный ключ 25 прямой проводимости. Коллектор транзистора 25 подключен к зажиму цепи питания, а эмиттер соединен с катодами диодов 26, 27, аноды которых соединены с секциями 2, 3 и 4, 5 ячеек коммутации 10, 11 соответственно и с катодами диодов 28, 29. Диод 28 включен между импульсным регулятором 23 напряжения и ячейкой 10 коммутации, а диод 29 - между импульсным регулятором 24 напряжения и ячейкой 11 коммутации. База транзисторного ключа 25 соединена с катодами третьей пары диодов 30, 31, аноды которых подключены к анодам второй пары диодов 28, 29, и через резистор 32 подключена к анодам четвертой и пятой пар диодов 33, 34 и 35, 36, катоды которых подключены соответственно к выводам секций 2 - 5 фаз двигателя, соединенных в ячейках коммутации с транзисторными ключами 6 - 9, шунтированными обратными диодами 37 - 40. В результате обеспечивается автоматический перевод электродвигателя в режим торможения в переходных режимах работы и в аварийных ситуациях. 1 ил.