Вентильный электродвигатель Советский патент 1979 года по МПК H02K29/00 

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электродвигател с бескотактной коммутацией. Известен вентильный электродвигатель, содержащий якорь, с обкютко соединенной с выходом инвертора и индуктор с обмоткой возбуждения, включенной в цепь постоянного тока инвертора и соединенной через отсекающий диод с дополнительным источником питания 1. Недостатком известного электродвигателя является сложность его эксплуатации. Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является вентильный электЕЮДви гатель, содержаггщй якорь с многосекционной обмоткой, подключенной к выходу инвертора с естественной коммутацией и тактовой синхронизацией по напряжению якоря и имеющего дроссель в цепи выпрямленного тока индуктор с обмоткой возбуждения и дополнительный источник питания це возбуждения 2. Недостатком известного двигател является недостаточно высокая пере грузочная способность и устойчивость, особенно в динамических режимах, Цель изобретения - повышение перегрузочной способности и устойчивости двигателя-. Поставленная цель достигается тем, что обмотка возбуждения и ее источник питания соединены между собой последовательно и подключены параллельно дросселю, а источник питания снабжен регулятором, охваченным жесткой нелинейной положительной обратной связью по потребляемому току, капри 1ер, токовой отсечкой. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг,1 представлена принципиальная схема вентильного двигателя Q регулятором возбуждения, на фиг,2 даны в относительных единицах вольт-амперные характеристики регулятора возбуждения и токораспреде.ление в вентильном двигателе,на фиг, 3 приведена структурная схема вентильного двигателя с предлагаемом регулятором возбуждения, а на фиг.4 - характеристики двигателя, Электро1шигатель содержит трехфазный синхронный двигатель (СД) 1, инвертор тока на управляемых полупроводниковых вентилях (тиристорах) i, управляемый выпрямитель 3, система импульсного фазового управления (СИФУ).инвертором 4, обмотка возбуж ния СД 5,;источник независимого воз буждения. 6 f блок управления этим ис точником 7, сглаживающий дроссель 8 узел нелинейной положительной обрат ной связи., по току нагрузки - токово отсечки 9, СИФУ выпрямителя 10. На чертежах даны следующие условн обозначения: И. - график изменения тока возбуждения, необходимый (требуемый) для обеспечения постоянной величины магнитного потока в зазор («р const) , 12 - график изменения тока возбуждения в функции тока нагрузки в интервале действия токовой отсечки, 13 - график изменения сигн ла положительной обратной связи по току нагрузки с отсечкой ( ) , 14- график изменения cyi/SMapHoro сигнала управления на входе независимого источника возбуждения Ьу 15- график изменения тока возбужде ния в функции жесткой непрерывной положительной обратной связи по току нагрузки UBX г в%.н. ьх.е. вводные .сигналы управления соответственно выпрямителя, инвертора, независимого, источника возбуждени.я;. Утпл сиг нал непрерывной положительной жестко обратной связи по току нагрузки. - то же внешней обратной связи С отсечкой. Источник постоянного напряжения 6.(фиг.1) вместе с блоком управления 7,-Обмоткой., возбуждения 5 синхронног двигателя 1, сглаживающего дросселя 8 и узла отсечки 9 составляет регулятор возбуждения. Он нагружен через обмотку возбуждения 5 двигателя 1 на дроссель 8, В режиме холостого хода вентилв; ного двигателя возбуждения синхронной машины 1 обеспечивается независиким источником питания регулято ра возбуждения, а электрическая угло вая частота его ротора (скорость ротора) определяется соотношением: первая гармоника фазног напряжения двигателя, индуктивнос.ть взаимоиндукции по продольной . оси синхронной машины, приведенный к обмотке статора ток возбуждения при холостом ходе СД. .При статическом нагружении двига ля, его скорость опоеделяется по ск остной характеристике, описываемой ыражением: fmt coiM,- mi. О :г (4( + ©)-3, .2(4,-0) « ГП1 ,Ч - первая гармоника выходного тока инвертора и угол сдвига между этим током и., напряжением статора СМ, U , L,.- - полные индуктивности синхронной машины по осям d и t , - активное сопротивление фазы обмотки якоря., синхронного двигателя, I Т| - приведенный к обмотке якоря ток возбуждения., синхронного двигателя, 0 - угол нагрузки СД, из которого следует, что наклон (жесткость) скоростной (механической) характеристики системы в любой точке зависит от соотношений ме5(бду @С-| j -jV и Ф; . При, нерегулируемом токе возбугкдвЕшя (3 const ) и заданном; параметре управления цэ с ростом мо.мента сопротивления на валу сле.довательно, угла нагрузки 9 растет скорость двигателя, придавая, таким образом, скоростной механической характеристике положительную жесткость, делающую невозможным устойчивую работу двигателя под нагрузкой. Для получения устойчивых механических характеристик с заданным статизмом требуется изменение., тока обмотки возбуждения двигателя, следовательно и тока независимого источника питания в функции тока нагрузки по определенному,., исходя из требований регулирования, закону.. Обобщенный аналитический закон регулирования тока возбуждения в функции нагрузки и .скорости при заданном параме-ре управления ( ц) const ) получается из вышеприведенного уравнения скоростной характерно тик и: U,coscp,+(- t)smfq),+ 6)smQf smtfj i-ad E °( Щ- Г sinCq), + © Связь этого тока с током нагрузки для получения, например, устойчивых статических механических характеристик конечной (отрицательной) . жесткости обнаруживается через магнитный поток в воздушном зазоре синхронного двигателя, который при этом должен оставаться постоянным tf -const

а ток в обмотке .возбуждения должен меняться по характеристике 11, фиг.

Токораспределение в регуляторе возбуждения вентильного двигателя при условии поддержания постоянства

магнитного потока (c.onat ) определяется по схеме замещения:

- .41-

to

др r-M-ri-t г

-+U

dfl Зр

5р

Eg - ЭДС независимого источника питания обмотки возбуждения при холостом 5 ходе вентильного двигателя. dfl входной (гладкая составляющая) .ток., инвертора, т mt tjC г - коэффициент, учитывающий коммутационный процесс 9()2fo)f,l , э 1ивные сопротивления соответственно обмотки возбуждения, сглаживающе го дросселя и внутреннее сопротивление независимо го источника питания. Оно указывает, что при Е -ronsi.. ток непосредственно обмотки возбужд ния будет изменяться по .пропорциональному закону (по характеристике 15, фиг.2) обусловленному внутренне положительной жесткой обратной, связью по входному току инвертора, реализуемой-предложенным регулятором возбуждения. Коэффициент э.той обрат ной связи К,: Сэ- зависит от соотношений сопротивлений элементов регулятора возбуждения и, 8 общем случае, может быть регулируемым . Для формирования же требуемого по условиям Фо const закона регул рования f -( ,) или Е -| (Jni,) т.е. характеристики 11 фиг.2, незави мый источник питания (в качестве которого могут быть использованы управ ляемые выпрямители, электромашинные или магнитные усилители с выходом на постоянном токе) .охватывается внешней положительной, жесткой, нел нейной обратной связью, например, по току нагрузки с отсечкой. Работа этого узла (9), и, в целом, регулятора возбуждения поясняется на фиг. где сигнал отсечки изображен характеристикой 13, а суммарный входной

сигнал независимого источника ntlTaния - 14,

Ток возбуждения теперь определится по выражению;

+ 3

f,+ r,-i-ti

d

где Н - ЭДС независимого регулирования источника питания

Е(Ц

вх.. В,

10

коэффициент усиления независимого источника возбуждения по напряжению, входной сигнал канала возбуждения, определяемый по условиях холостого хода вентильного двигателя .«,.ь Чзст - сигнал токовой отсечки, ,(,) Kj - коэффициент усиления, сигнала токовой отсечки, Ка. tgc(cM.x-Ky 11 фиг.2), ,6 ток срабатывания отсечки. Следовательно, полученная функция тока возбуждения 3f--V i dp+ 2 d|5/ dft d/Jo,, позволяет достаточно точно аппрокси- . мировать желаемую - характеристику (11) f-f(-mi) (см.фиг.2) двумя кусочно-линейными участками, один из.ко- торых (15) в интервале тока нагрузки от нуля до тока срабатывания отсечки обусловлен внутренней положительной обратной связью, а другой (12 - от тока отсеч;ки до максимального его значения - внешней положительной жесткой обратной связью по току нагрузки с отсечкой. Параметры К, и К определяются при аппроксимации желаемой характеристики (11) двумя отрезками (12) и (15). По величине максимального потребного тока обмотки возбуждения ( f. ) и по максимальному напряжению источника независимого возбуждения 11, определяется мощность этого источника при регулировании Фз- const : TJ,UBH3fH- V i- d/5o,;«2Xa«J e« J 2 dft J4Drtl -,, UBv-b(o) J IT - напряжение источника питания, выбранное по условиям холостого хода вентильного двигателя. Из-за размагничивающего характера продольной реакции якорной от тока нагрузки и отсутствия датчика положения ротора вентильный двигатель аналогично некомпенсированной коллекторной машине постоянного тока с нежестко закрепленным щеточным механизмом весьма чувствителен к возмущениям по любому каналу, проявляемым через ток нагрузки. Причем при малых углах опережения отпирания- вентилей В инвертора обеспечивающих лучшее использование синхронной машины/3, - ф 4-5предел динамической устойчивости сиетемы в целом ограничивается инвертором.. При сравнительно больших углах /3f , т.е. при малых coscpi этот предел ограничивается по допустимому току двигателя. Анализ передаточной функции двигателя по этому.току t/,/j(P)i CP) (:P wfP) где W(P) - характеристический полином вентильного двигателя 4-го порядка, W,(P),WjCP) - соответствующие многочлены 3-го порядка по управляю ляющим воздействиям со стороны входной цепи инве тора cig, И возбуждения СД Uf показыва ет, что при отсутствии регулирования по каналу входа инвертора или по кана лу возбуждения синхронной машины вентильный двигатель неустойчив, поскольку некоторые коэффициенты характе ристического уравнения отрицательны. Сравнительно просто устойчивая работ т.е. стабилизация скорости ВД при лю бых возмужениях по току нагрузки, обеспечивается при воздействии на канал возбуждения с помощью данного регулятора возбуждения. Это следует из уравнения, приведенного к статору электрического равновесия по каналу возбуждения в схеме этого регулятора без токовой отсечки. . Тде . - полное, приведенное к статору, потокосцепление обмотки возбуждения синхронного двигателя (ч ,) илиi/p).) «зPЧd P f ; а,,5Гф, + ©) c,2 Lзp -Ьэ+ц ; , . k .d W + nj+r p-, Ьо + п, + ггэ„-. b Lao/ Kd tKd демпферной обмотки СД по продольной.оси и индуктивность ее. Анализ этого уравнения показывает наличие в канале возбуждения внутренней положительной обратной связи по току нагрузки и его производной одновременно, т.е. . o,P-fb, Uroc S TbTействующих в направлении компенса ни размагничивающей составляющей ока нагрузки. При .1, , Ьо ь ,(o).-g-4,g-a , . ° L р т г(Г)() -т где t д Uy К а , . Kg - коэффициент.усилия независимого источника по напряжению. Теперь передаточная функция ВД при регулировании с помощью регулятора без токовой отсечки выразится уравнением: , . ) W,(P) +UyCP)) WgCP) ) , o,P+b, где w(P) WfP)-:5rpTb . которому соответствует структурная схема фиг.2.Анализ W(Р) показывает выполнение условий устойчивости ВД. При регулировании с ср - const во всем диапазоне нагрузок в операторном выражении ()появится член, учитывающий действие канала отсечки, а передаточная функция системы будет :j /p))w,(P)iU .b(, ni.i TYPJ где W(P} W2(:P)-Wp(-P) / (P),/P), которой соответствует полная структурная схема вентильного двигателя с данным регулятором, приведенная на фиг.2. Таким образом электродвигатель мэжет быть использован для механизмов как с плавно меняющейся нагрузкой (насосов, вентиляторов), так и с. переменной либо резко переменной

нагрузкой (воздуходувок, поршневых компрессоров и.др.).

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий якорь с многосекционной обмоткой, подключенной к выходу инвертора и естественной коммутаци--. ей и тактовой синхронизацией по напряжению якоря и имеющего дроссель в цепи выпрямленного тока,индуктор с обмоткой возбуждения и дополнительный источник питания цепи возбуждения,о т личающййся тем,что,с целью повЕЛшения перегрузочной способности

J4

и устойчивости,обмотка возбуждения и ее источник питания соединены между собой последовательно и подключены праллельно дросселю, а источник питания снабжен регулятором, охваченным жесткой нелинейной положительной обратной связью по потребляемому току, например, токовой отсечкой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

М., Энергия, 1977, с.144.

р ,

гл

(