Способ настройки вентильного электродвигателя Советский патент 1992 года по МПК H02K29/00 

Предлагаемый способ относится к электрическим машинам с бесконтактной коммутацией и предназначен для настройки в процессе изготовления и эксплуатации электрических машин, работающих в качестве исполнительных двигателей с ограниченным и неограниченным углом поворота в составе электроприводов следящих систем и систем регулирования скорости различного назначения.

Известен способ настройки вентильного электродвигателя, заключающийся в развороте статора датчика положения ротора работающего двигателя относительно статора синхронной машины до достижения максимума вращающего момента настраиваемого двигателя, измеряемого специальным пружинным моментомером (см. Столов Л,П., Зыков Б.Н. Моментные двигатели с постоянными магнитами. М.: Энергия, 1977, с.98-100).

Недостатком данного способа является его сложность, так как для настройки двигатель необходимо демонтировать из объекта управления и установить на внешнем пои- боре-моментомере.

Известен другой способ настройки магнитоэлектрического вентильного электродвигателя с явнополюсным ротором (а.с. № 1275677, кл. Н 02 К 29/00, 1986), заключающийся в подаче на одну из фаз обмотки якоря пульсирующего напряжения, развороте ротора двигателя до положения, соответствующего нулевому значению ЭДС, наведенной в другой фазе, и развороте статора датчика положения ротора на угол при котором выходное напряжение усилителя первой фазы равно нулю, а выходное напряжение второй фазы - положительно.

Недостатком данного способа является его трудоемкость и сложность настроечного оборудования,необходимого для механичесл

с

ч

XJ

4 СО

Ю

ского разворота статора датчика положения- ротора и последующей его фиксации.

В качестве прототипа принят известный способ, изложенный в книге Гемке Р.Г. Неисправности электрических машин, М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, с, 120, в котором настройку электродвигателя осуществляют разворотом положения ротора на угол, обеспечивающий максимум вращающего момента, о чем судят по равенству скоростей электродвигателя при прямом и обратном направлениях вращения.

Недостатком этого способа является длительность процесса настройки, поскольку он предусматривает неоднократное измерение скорости электродвигателя, механическое перемещение статора датчика положения ротора, его освобождение и закрепление.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение времени настройки оен- тильного электродвигателя.

Указанная цель достигается тем, что в способе настройки вентильного электродвигателя (выполненного на базе синхронной машины с датчиком положения ротора в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора с основной и квадратурной обмотками возбуждения), включающем, как и прототип, операции подачи напряжений питания на фазы обмотки синхронной машины и основную обмотку возбуждения упомянутого датчика положения ротора, контроля вращающего момента и сдвига фаз напряжения питания, обеспечивающего максимум вращающего момента, в отличие от прототипа, дополнительно подают напряжение питания на квадратурную обмотку возбуждения указанного датчика положения ротора и указанный сдвиг фаз напряжений питания фаз обмотки синхронной машины для обеспечения максимального вращающего момента осуществляют регулированием амплитуды и фазы напряжения питания квадратурной обмотки возбуждения упомянутого датчика положения ротора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг,1 и 2 показаны функциональные схемы настроечного оборудования для предлагаемого способа-настройки вариантов вентильного электродвигателя с неограниченным углом поворота, на фиг.З - функциональная схема настроечного оборудования для варианта вентильного электродвигателя с ограниченным углом поворота, на фиг.4 - разновидность схемы формиро- . вания напряжений питания (возбуждения) датчика положения ротора.

Предлагаемый способ настройки заключается в следующем. Настраиваемый вентильный двигатель устанавливают на стенд и подают на него напряжения питания в том числе напряжения питания на фазы обмотки синхронной машины от усилителей мощности и напряжение питания (возбуждения) на основную обмотку возбуждения датчика положения ротора. Далее до0 полнительно подают на квадратурную обмотку возбуждения датчика положения ротора напряжение, синфазное или противофазное напряжению возбуждения основной обмотки возбуждения. После этого

5 изменением амплитуды и фазы этого напряжения сдвигают фазы напряжений питания обмотки синхронной машины до достижения максимума вращающего момента вентильного электродвигателя, кон0 тролируемого одним из известных способов.

Состав устройства, реализующего предлагаемый способ, зависит от вариантов настраиваемого вентильного электро5 двигателя.

Для варианта вентильного электродвигателя 1 с неограниченным углом поворота, имеющего датчик положения ротора со свободной квадратурной обмоткой, устройст0 во, реализующее предлагаемый способ настройки, содержит, например (фиг.1)(син- хронную машину 2 с постоянными магнитами на роторе 3, обмотка якоря которой с фазами 4 и 5 подключена через усилители

5 мощности 6, 7 к выходам фазочувствитель- ных выпрямителей 8, 9, входами соединенных с синусной 10 и косинусной 11 обмотками датчика положения ротора 12, ротор 13 которого механически связан с ро0 тором 3 синхронной машины, Основная обмотка 14 возбуждения этого датчика соединена с источником 15 управляющего напряжения через настроечный стенд 16, в котором находится переключатель 17, сое5 диненный также с общей шиной (корпусом) 18. Квадратурная обмотка 19 датчика положения ротора 12 соединена через переключатель 20 с движком подстроечного резистора 21. крайние выводы которого со0 единены с общей шиной 18 и переключателем 17.

Вариант настраиваемого вентильного электродвигателя 1 на фиг.2 отличается тем, что квадратурная обмотка-19 датчика поло5 жения ротора подключена к источнику 22 рабочего квадратурного напряжения, которое используется для улучшения характеристик вентильного двигателя, например, путем введения угла опережения либо формирования тахометрической обратной связи. В этом случае устройство, реализующее предлагаемый способ настройки, дополнительно содержит, например (фиг.2), сумматор 23 и трансформатор 24, вторичная обмотка которого подключена к крайним выводам потенциометра 21, а первичная обмотка соединена с источником 15 управляющего напряжения.

Вариант настраиваемого вентильного электродвигателя 1 на фиг.З имеет ограниченный угол поворота. В этом случае в устройстве, реализующем предлагаемый способ настройки, основная обмотка 14 возбуждения соединена с источником 15 управляющего напряжения в стенде 16 через переключатель 17, имеющий два положения: Р - Работа и Н - Настройка, который связывает также квадратурную обмотку 19 возбуждения с движком подстроечного потенциометра 21, соединенного своими крайними выводами через переключатель 20 с общей шиной 18 и с выходом источника 15 управляющего напряжения.

Таким образом, настроечное оборудование, входящее в состав вентильного двигателя и необходимое для реализации предлагаемого способа, содержит подстро- ечный резистор 21, переключатель 20 (фиг. 1 и 3), который может быть заменен трансформатором 24 (фиг.2).

Для расширения функциональных возможностей предлагаемого способа настройки настроечное оборудование, входящее в состав вентильного двигателя, может быть дополнено двумя переключателями 25 и 26 (фиг.4), установленными в цепях обмоток 14 и 19 возбуждения датчика положения ротора 12.

Настройка рассматриваемых вентильных двигателей осуществляется следующим образом. Настраиваемый вентильный двигатель (фиг.1) устанавливается в стенд 16, подаются напряжения питания, в результате чего источник 15 формирует управляющее напряжение в виде напряжения возбуждения:

0

5

0

5

0

5

0

где Кд - коэффициент деления резистора 21.

В соответствии с принципом действия вращающегося трансформатора, который используется в качестве датчика положения ротора 12, напряжения на его выходных обмотках будут иметь вид:

(Ui4Sin«A ± U19 cos Од); (Ui4COSGfl + Ui9Sina,0,(3)

где Кт - коэффициент трансформации датчика положения ротора 12:

Од - электрическое угловое положение ротора 13;

U14 и Dig - напряжения питания (возбуждения) соответствующих обмоток возбуждения. Знак перед вторым слагаемым выражений (2 ) определяется положением переключателя 20 (фиг.1).

Подставляя значения напряжений и . получим:

Uio KTU0sinft t(sinaa ± Кд созйд); (4) Uo sin (cos Од Кд5з1п «д).

Используя известные формулы тригонометрии, преобразуем последние выражения к виду:

U0 sinft)ti/ l+KA2 sin(Gfl±$;

i

Un KTU0 sin on Л+Кд cos (Од -±/3),

(5)

(6)

где

ft arctg arctg KA

U/|4

. Фазочувствительные выпрямители 8, 9 выделяют огибающие этих напряжений, которые после усиления в усилителе мощности 6 и 7 создают фазные напряжения и токи:

Использование: в электроприводах следящих систем и систем регулирования скорости различного назначения, Сущность. При настройке вентильного электродвигателя на статорную обмотку его синхронной машины и обмотку возбуждения и квадратурную обмотку возбуждения датйшсгГПсложения ротора синхронной машины подают напряжение питания. Контролируют вращающий момент и, регулируя амплитуду и фазу напряжений питания квадратурной обмотки возбуждения, обеспечивают максимальный вращающий момент. 2 ил.

Ui5 U0sin coi,

где Uo - регулируемая амплитуда; О)- частота возбуждения. Это напряжение поступает на основную обмотку возбуждения 14 датчика положения ротора 12. Одновременно на его квадратурную обмотку через переключатель 20 поступает настроечное напряжение, снимаемое с резистора 21:

Uo sin cot,

50

U0 sin (сгд ±,б); U5 Ky U0 cos(ccA ±/3); i4 U4/Rcp; is Us/Rep, гдеКу КтКум + КД2;

(7)

(8)

55

Кф - коэффициент передачи фазочувст- вительных выпрямителей 8, 9;

Кум - коэффициент усиления усилителей мощности 6,7;

R ф- сопротивление фаз 4,5.

Для упрощения рассуждений реактивным сопротивлением обмоток фаз в выражениях (8) пренебрегалось.

Фазные токи создают вектор магнитодвижущей силы (МДС) статора, Fc угловое положение которого в пространстве в соответствии с (7) и (8) равно:

Ос ал ±{3.

Тогда в соответствии с принципом действия вентильного двигателя с магнитоэлектрическим возбуждением взаимодействие МДС статора Fc и магнитного потока ротора Фр создает вращающий момент:

М ФрРсз1п0,(10)

где в- угол нагрузки, равный:

в-Ос -ар «д -ар ±Д(11)

причем QTp - электрическое угловое положение ротора 3 синхронной машины 2.

Как видно из (6), регулировкой резистора 21 можно достичь изменения Кд в пределах от 0 до 1 и, следовательно, обеспечить сдвиг фаз/9 фазных напряжений питания (7) обмотки синхронной машины 2 в пределах от 0 до 45 эл.град, Следовательно, если при механической сборке вентильного двигателя 1 добиться взаимного положения роторов 3 и 13 синхронной машины 2 и датчика положения ротора 12 из условия:

«д - Яр (90 ± 45) эл.град,

то, как видно из (11), предлагаемый способ настройки может обеспечить угол нагрузки эл.град, что, в соответствии с (10) приведет к максимуму вращающего момента настраиваемого электродвигателя 1.

Учитывая, что обычно число пар полюсов синхронной машины 2 не превышает , механический угол совмещения роторов должен быть:

«д - «р 90 ± 45 -р §

«(11,25 ±5,6) град,

где .,pp- механические угловые положения ротора 12 и синхронной машины 2 соответственно.

Практика показывает, что при механической сборке вентильных электродвигателей совмещение роторов электрических машин, имеющих нулевые метки, может

производиться с точностью до 2-3 мех.град, поэтому в производстве условие (12) легко выполняется.

В случае необходимости расширения

5 допуска на механическую сборку вентильного электродвигателя предлагаемый способ также может быть применен, но в настроечное оборудование должны быть введены два дополнительных переключате10 ля 25 и 26, как показано на фиг.4. Нетрудно убедиться, что переключатель 26 обеспечивает изменение угла / на ± 90 эл. град, а переключатель 25 совместно с переключателем 20 - его изменение на ± 180 эл.град.

15 Таким образом, при реализации настроечного оборудования в виде фиг.4 можно производить настройку электродвигателя 1 при любом начальном взаимном расположении входящих в него электрических машин, что

20 позволяет вообще отказаться от каких-либо нулевых меток, производя сборку электрических машин без их механической выставки.

Настройка варианта вентильного элект25 родвигателя по фиг.2 производится аналогичным образом, однако на время настройки источник 22 рабочего квадратурного напряжения отключается.

Варианты вентильных электродвигате30 лей на фиг.1 и 2 имеют неограниченный угол поворота, поэтому контроль максимума их вращающего момента может осуществляться, например, также как в прототипе, по равенству скоростей электродвигателя при

35 прямом и обратном направлениях вращения.

Для варианта вентильного электродвигателя с ограниченным углом поворота (фиг.З) измерение установившейся скорости

40 вращения затруднено, поэтому для него может быть применена другая процедура контроля максимума вращающего момента. Для этого при настройке переключатель 17 (фиг.З) переводят в положение Н - Настрой45 ка и с помощью переключателя 20 и потенциометра 21 добиваются такого изменения угла в выражении (11), при котором обеспечивается

50

0 ад -Ор .

(13)

Это приводит, в соответствии с формулой (10), к уменьшению вращающего момента до нуля и остановке электродвигателя, 55 что может быть легко проконтролировано.

Далее переводят переключатель 17 в положение Р - Работа. Тогда напряжения на обмотках 14 и 19 возбуждения датчика положения ротора примут вид

Кд Do sin аи: U0 sin ft; t.

Подставляя (14) в (З) и выполняя тригонометрические преобразования аналогично вышеизложенному, получим:

(15)

U4-KyU0sin(aA±Ј );

С08(СГд±/3 ). / arag- -arctg - 2

где

(16)

В последнем выражении сдвиг фаз/2 определяется из (6). Следовательно, с учетом (11) и (13) угол нагрузки в режиме работы будет равен:

в ал - а ±/3 Од - Ор ±/ нРг/2 -+п/2

О)

Тогда, в соответствии с (10), двигатель будет развивать максимальный вращающий момент, знак которого будет определяться положением переключателя 20.

Таким образом, если обеспечить в режиме настройки минимум вращающего момента, то в режиме работы вращающий момент будет иметь максимальное значение. Следовательно, рассмотренная процедура также обеспечивает настройку вентильного электродвигателя на максимум вращающего момента.

Достоинством предлагаемого способа по сравнению с известным является отсутствие таких операций, как механический поворот статора датчика положения ротора и последующая фиксация найденного положения статора, обеспечивающих регулирование угла нагрузки в. В предлагаемом способе регулирование угла нагрузки в осу

ществляется чисто электрическим путем - вращением подстроенного резистора и пе- реключением переключателей, Благодаря

этому процесс настройки значительно со5 кращается по времени. С другой стороны, поскольку статор датчика положения ротора не надо ни поворачивать, ни фиксировать, то это упрощает конструкцию вентильного электродвигателя, снижает его массу и габа10 риты, а также повышает надежность, При этом настраиваемый электродвигатель может быть размещен в любом месте объекта управления и, в том числе, в труднодоступном для настройщика, тогда как подстроеч15 ный резистор и переключатели могут быть вынесены в другое удобное для регулировки место. Это улучшает конструктивную компоновку привода и объекта управления. Формула изобретения

20Способ настройки вентильного электродвигателя, выполненного на базе синхронной машины с датчиком положения ротора в виде синусно-косинусного вращающегося трансформатора с основной и квадратурной

25 обмотками возбуждения, при котором подают напряжения питания на фазы обмотки синхронной машины и основную обмотку возбуждения упомянутого датчика положения ротора, контролируют вращающий мо30 мент и, сдвигая фазы напряжений питания, обеспечивают максимальный враа1ающий момент, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени настройки, дополнительно подают напряжение питания

35 на квадратурную обмотку возбуждения указанного датчика положения ротора и указанный сдвиг фаз напряжений питания фаз обмотки синхронной машины для обеспечения максимального вращающего момента

40 осуществляют регулированием амплитуды и фазы напряжения питания квадратурной обмотки возбуждения упомянутого датчика положения ротора.

фиг,1