Вентильный электродвигатель Советский патент 1993 года по МПК H02K29/14 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям (ВД), выполненным на основе полупроводниковых преобразователей и синхронных машин (СМ) с. постоянным магнитами на роторе и может найти применение при разработке регулируемых и стабилизируемых по частоте вращения ВД, предназначенных для привода различных исполнительных механизмов

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей ВД за счет регулирования как угла опережения © , так и напряжения питания синхронной машины

UCM.

Действительно, выполнение блока коррекции из указанных выше структурных элементов так, что его выходной сигнал пропорционален разности сигналов частоты вращения двигателя и заданной величины, введение датчика тока, первого элемента сравнени я и выполнение связей

между элементами обеспечивает регулирование напряжения Ug и фазы ©выходных сигналов датчика положения ротора. Соответственно изменяются величина UCM и фаза 0 выходных напряжений усилителей мощности, питающих синхронную машину, При этом в режиме стабилизации частоты вращения синхронная машина работает с минимумом тока потребления при нагрузках как равной номинальной, так и меньше ее, а пуск двигателя проходит в режиме ограничения тока. Указанные отличительные особенности расширяют функциональные возможности ВД и его область применения.

На фиг. 1 приведен пример выполнения n-фазного ВД с усилителями мощности в режиме ШИМ; на фиг. 2 приведен пример выполнения регулирующего элемента; на фиг. За приведены векторные диаграммы ДПР; на фиг. 36 - векторные диаграммы

Ё

00

о ч ел

S

синхронной машины с регулированием по двум параметрам (напряжению Осм и углы 0).

ВД содержит n-фазную синхронную машину СМ1 с возбуждением от постоянных магнитов, датчик положения ротора ОПР2, содержащий обмотку возбуждения 0В 2.1, управления ОУ 2.2, выходные обмотки 2.3, п каналов питания 3.1, 3.2, ..., Зп фаз СМ1, каждый канал включает в себя усилитель мощности УМ4 и схему управления, состоящую из фазочувствительного выпрямителя Ф4В5 и широтно-импульсного модулятора ШИМб. Кроме того в схеме ВД имеется источник опорных напряжений ИОН7, модулятор М8, генератор пилообразных напряжений ГПН9, датчик тока ДТ13..первый элемент сравнения ЭС14, блок коррекции 15, состоящий из измерительного преобразователя частоты вращения ротора в напряжение ИПЧ10, второго элемента сравнения ЭС11 и регулирующего элемента РЭ12 В каждом канале питания 3.1, 3.2,,.., Зп выход ФЧП5 через ШИМ6 соединен с управляющим входом УМ4, выход которого связан с соответствующей фазной обмоткой СМ1, один из входов ФЧВ5 соединен с соответствующей фазой ДПР2, а другой - с соответствующим выходом ИОН7, синхронизирующий вход ШИМб связан с соответствующим выходом ГПН9, вход М8 соединен с одним из выходов ИОН7,. а выход связан с обмоткой возбуждения ДПР2, ДТ13 включен в цепь питания УМ4, а его выход подключен к управляющему входу; М8 через ЭС14, один из входов которого связан с источником Ui задания тока потребления УМ4 (на фиг. 1 не показан); выход одного из ФСВ5 связан со входом ИПЧ10, выход М8 соединен со входом РЭ12, выход которого связан с обмоткой управления ДПР2, а управляющий вход- с выходом ЭС11, один из входов которого соединен с выходом ИПЧ10, а другой - с источником Uf Задания частоты вращения (на фиг. 1 не показан).

Регулирующий элемент РЭ12, представленный на фиг. 2, выполнен по мостовой выпрямительной схемы УД1---УД4, в которой в диагональ постоянного тока последовательно включены транзистор VT1 и резистор R2, В диагональ переменного тока Моста последовательно с источником питания (вторичная обмотка трансформатора Т) включена ОУ2.2 датчика положения 2. Первичная обмотка трансформатора Т соединяется с ОВ2.1 датчика положения 2. Входные (управляющие) цепи схемы подключаются к выходу ЭС11. База транзистора VT1 соединена с минусом источника внутренних нужд

0

- UBH через резистор R1, а плюс этого источника подключен к катодам диодов /ДЗ, /Д4. Для регулирования двух параметров системы (напряжения UCM и угла 0) в схеме ВД используется ДПР2 с двумя идентичными обмотками 0В и ОУ, смещенными в пространстве на 90 эл.град. относительно друг друга. Величина Ug и смещение по фазе ©(относительно исходной) выходных сигналов ДПР2 зависит от значений напряжений на OB (UQB) и ОУ (Uoy), при этом

Ua Ка vUoe+ur 2

g - g и ов

0 arctg|ii

Uoy

oy

(1).

(2),

где Kg - постоянный коэффициент ДПР, рпределяемый его конструкцией.

Векторные диаграммы ДПР, построенные для первых гармоник напряжений, приведены на фиг. За.

Работа предлагаемого ВД осуществляется следующим образом. Переменное напряжение Ur от ЙОН7 с частотой F0 поступает через М8 на обмотку возбужде- ния 2.1 датчика положения ротора 2. Выходной сигнал соответствующей фазы 2.3 ДПР2

поступает на один из входов соответствую- щего ФЧВ5, а на другой его вход напряжение с выхода ИОН7. В каждом канале 3.1, 3.2, ..., Зп ФЧВ выделяет низкочастотную огибающую выходного сигнала ДПР2, частота которого кратна частоте вращения ротора. Сигнал с ФЧВ5 подается на вход ШИМб, с выхода которого промодулированное по длительности напряжение выходной обмотки 2.3 ДПР2 в виде последовательности импульсов с частотой F ГПН9 подается на УМ4, питающий соответствующую фазу СМ1.

Во всех режимах работы ВД низкоча- стотное синусоидальное напряжение ФЧВ5 с частотой кратной частоте вращения СМ1; поступает на вход ИПЧ10, где преобразуется в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна частоте вращения. Постоянное напряжение с выхода ИПЧ10 поступает на один из входов ЭС11. на другой вход которого подается напряжения Uf, соответствующее заданной частоте вращения СМИ. Сигнал рассогласования с ЭС11 воздействует на управляющий вход РЭ12, на другой вход РЭ12 поступает напряжение UQB, формируемое М8 из постоянного по величине напряжения Ur ИОН7. Выходной сигнал РЭ12 воздействует на ОУ 2.2 датчика положения ротора 2.

Пуск ВД происходит в режиме ограничения тока потребления УМ4, при этом так изменяются фазные напряжения DCM, чтобы обеспечивался необходимый электромагнитный момент. Контур регулирования при ограничении тока состоит из ДТ13 и ЭС14, при этом ДТ13 включен к цепь питания УМ4 всех каналов. На один вход ЭС14 поступает сигнал Ui, соответствующий величине заданного тока потребления, а на другой вход сигнал с выхода ДТ13. Сигнал с выхода ЭС14 поступает на управляющий вход М8. Этот регулирующий элемент выполнен в виде линейного регулятора с обратной зависимостью выход - управление.

В процессе разгона СМ1 под действием в.ыходного сигнала ЭС14 уменьшается сопротивление М8, увеличивается UOB, при этом величина сопротивления РЭ12 мала, так как Uf больше выходного напряжения ИП410. В результате к ОУ2.2 прикладывается часть напряжения 0В 2.1, определяемая в основном коэффициентом трансформации разделительного трансформатора, входящего в состав РЭ12. С ростом частоты вращения происходит увеличение UOB, Uoy, Ug в соответствии с зависимостью (1), и, следовательно, выходных напряжений УМ4 (Уем), при этом угол в поддерживается

Uoy постоянным, так как

const см. зависимость (2). Исходя из характеристик СМ1 и приводимого механизма в схеме ВД выбирают такой коэффициент трансформации разделительного трансформатора, чтобы обеспечивался угол 0 , необходимый для развития требуемого (максимального) электромагнитного момента.

По мере разгона СМ1 из-за влияния реактансов и ЭДС СМ1, динамического момента электропривода и с учетом механических характеристик приводимого механизма ток потребления УМ4 становится меньше ограничиваемого, а величина выходного сигнала ДТ13 меньше величины Ui, соответствующей величине заданного тока потребления, при этом величина сопротивления М8 становится такой же малой, как и величина сопротивления РЭ12.

Дальнейший разгон происходит при максимальном напряжении питания СМ1. При выходе на заданную частоту вращения выходное напряжение ИП410 становится больше, чем Of. величина сопротивления РЭ12 увеличивается, а напряжение U0y уменьшается.

В соответствии с зависимостью (2) изменяется фаза выходных напряжений ДПР2 и, следовательно, фаза выходных напряжений УМ4 (угол Э). В соответствии с зависимостью (1) изменяются также величины выходных напряжений ДПР2 (Ug) и. следовательно, УМ4 (исм). За счет этого обеспечивается стабилизация частоты вращения СМ1 при изменении нагрузки. Необходимо заметить, что РЭ12 выполняется в виде линейного регулятора напряжения с обратной зависимостью выход - управле0 ние.

На рис. 36 приведены векторные диаграммы неявнополюсной СМ1, построенные для первых гармоник фазных напряжений U, тока I и ЭДС Ёо (без учета падения напряжения

5 в активном сопротивлении фаз электрической машины) при частоте вращения со const и минимальном токе при номинальной нагрузке PH(Ui, И, 01)иО,25 PH(U2, Ь. 02). Величины Бо и Хс постоянны, при этом считаем, что

0 синхронный реактанс Хс значительно больше активного сопротивления г фаз СМ1.

Условием работы СМ 1 с минимумом фазного тока является совпадение по фазе вектора тока I синхронной машины с вектором -ЁО, что иллюстрируется прямоугольными векторными треугольниками О - E0Ui для номинальной нагрузки Рн и О-ЕоОз для нагрузки 0,25 Рн, приведенными на фиг. 36. Векторные диаграммы ДПР2, построенные для первых гармоник напряжения при UOB const и двух значениях U0y приведены на фиг. За.

Первоначально ДПР2 устанавливается в такое положение, чтобы при отсутствии

5 напряжения на ОУ выходное напряжение каждого усилителя мощности совпадало по фазе с соответствующей ЭДС (-Ео) синхронной машины.

В рассматриваемой схеме вентильного

0 двигателя выходное напряжение каждого УМ4 совпадает с фазой соответствующего фазного напряжения ДПР2, а величина выходного напряжения каждого УМ4 (Уем) пропорциональна величине соответствующего

5 фазного напряжения ДПР2 (Уд). Коэффициент пропорциональности Kg -гт const.

ug .

Он выбирается таким, чтобы в режиме стабилизации скорости вектора Осм (Ui, U2) .

0 оканчивались на оси перпендикулярной вектору -Ёо (см. фиг. 36). Тогда при номинальной нагрузке Рн из векторов синхронной машины образуется прямоугольный треугольник 0-EoUi (см. фиг. 36), подобный

5 прямоугольнику треугольнику из векторов

ДПР2 (ООов на фиг. За), а, например

К9

при нагрузке 0,25 Рн - прямоугольный треугольник O-EoCte (см. фиг. 36), подобный пря5

0

моугольнику треугольнику из векторов

ДПР2 (ОПов -в на фиг. За), при этом на

з . «

фиг. 36 вектора тока h,l2 электрическо машины совпадают по фазе с вектором.-Ё0 и, следовательно, синхронная машина в широком диапазоне нагрузок работает в режиме минимума тока потребления.

Для изменения уровня стабилизируемой частоты вращения нужно пропорционально изменять Uf и Dr.

В схеме, приведенной на фиг. 2, ток 2.2 датчика положения ротора 2 в течение половины периода протекает от вторичной обмотки, трансформатора Т через диоды УД1, /Д4, транзистор VT1 и резистор R2. Диоды УД2, УДЗ в это время закрыты. В течение другого полупериода ток ОУ 2.2 датчика положения ротора .2 протекает от вторичной обмотки трансформатора Т через диоды УД2, УДЗ, транзистор VT1 и резистор R2, при этом диоды УД 1, УД4 закрыты. Транзистор VT1 представляет собой регулируемое активное сопротивление, на котором падает часть напряжения вторичной обмотки трансформатора Т.

При пуске транзистор VT1 находится в режиме насыщения. Ток базы этого транзистора в основном определяется напряжением источника внутренних нужд UBH и величинами резисторов R1, R2. При стабилизации частоты вращения транзистор VT1 от сигнала ЭСТ1 переходит в активную область работы и его сопротивление увеличивается, а напряжение Uoy уменьшается. Резистор R2 служит для стабилизации рабочей точки транзистора VT1, Таким образом представленная схема является практически линейным регулятором напряжения, в котором обеспечивается обратная зависимость выход - управление (между напряжением U0y и выходным напряжением ЭС11). Эта зависимость реализуется за счет изменения величины выходного сопротивления транзистора VT1 при изменении выходного напряжения ЭС11.

Модулятор М8 может быть выполнен, например, по схеме фиг. 2, в которой в диагонали переменного тока моста вместо трансформатора Т включена одна из выходных обмоток трансформатора ИОН7.

ЙПЧ10 может быть выполнен на основе одновибратора с фиксированной длительностью импульса.

Использование предлагаемого технического решения обеспечит улучшение энергетических показателей ВД, расширит его

функциональные возможности и область применения.

Формула изобретения Вентильный электродвигатель, содержащий n-фазную синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов, индукционный аналоговый датчик положения ротора с n-фазной выходной обмоткой и с обмотками возбуждения и управления,

смещенными в пространстве на 90 эл.град. относительно друг друга, источник опорных напряжений, модулятор, блок коррекции и п каналов питания обмоток статора синхронной машины, каждый из которых включает в

себя фазочувствительный выпрямитель и усилитель мощности, при этом в каждом канале выход фазочувствительного выпрямителя через усилитель мощности связан с соответствующей обмоткой статора синхронной машины, один из входов фазочувст- вительного выпрямителя соединен с соответствующей выходной обмоткой датчика положения ротора, а другой - с соот- ветствующим выходом источника опорных

напряжений, один из выходов которого через модулятор связан с обмоткой возбуждения датчика положения ротора, обмотка управления которого соединена с выходом блока коррекции, вход которого соединен с

выходом модулятора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей вентильного электродвигателя за счет регулирования как угла опережения ©, так и напряжения питания

синхронной машины, в него введены первый элемент сравнения и датчик тока, вклю- ченный в цепь питания усилителей мощности, выход которого подключен к управляющему входу модулятора через первый элемент сравнения, один из входов которого связан с источником задания тока потребления усилителей мощности, блок коррекции выполнен из измерительного преобразователя частоты в напряжение,

второго элемента сравнения и регулирующего элемента, выход которого образует выход блока коррекции, вход которого соединен с одним из входов регулирующего элемента, другой вход которого связан с

выходом второго элемента сравнения, один из входов которого связан с источником заданной частоты вращения, а другой - с выходом измерительного преобразователя частоты в напряжение, вход которого соединен с выходом одного из фазочувствитель- ных выпрямителей, при этом регулирующий элемент и модулятор выполнены в виде линейных регуляторов напряжения с обратной зависимостью выход - управление.

epue.i

Использование: в приводах различных исполнительных механизмов. Сущность: введены датчик тока 13, элементы 14, обеспечивающие обратную связь по току. Блок коррекции содержит элемент 11 сравнения и регулирующий элемент 12, входами соединенный с обмоткой управления датчика 2 положения ротора синхронной машины и выходом элемента 11 сравнения. Вход элемента 11 сравнения через измерительный преобразователь 10 частоты в напряжение соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 5. Введенные элементы по- зволяют регулировать угол опережения ком- мутации, ток и напряжение питания синхронной машины. 3 ил.