Реверсивный вентильный электродвигатель Советский патент 1980 года по МПК H02K29/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам и может быть использовано в электроприводах металлорежущих станков. При создании реверсивных транзисторных вентильных электроприводо средней мощности основной проблемой является защита транзисторов инвертора (коммутатора) от перенапряжений, вызываемых энергией, запасенно в индуктивности рассеяния коммутиру мой фазы от тока нагрузки. Известны вентильные электродвигатели с транзисторным инвертором, в которых для защиты транзисторов от перенапряжений параллельно после ним в обратном направлении включены диоды 1 . Недостатком таких схем вентильных двигателейсостоит в том, что они не обеспечивают рекуперативного торможения двигателя, так как при этом транзисторный мост работает в выпрямительном режиме и неуправляемый диод и открытый транзистор закорачивают две фазы дв игателя. Известен также вентильный двигатель с транзисторным инвертором, в котором энергия, запасенная в магнитном поле секции, перенлпряжения через обратные диоды (обратный выпрямительный мост) выделяется в конденсаторе, который в межкоммутационные интервалы разряжается на резисторы и частично используется в цепях управления, содержгиций ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику ЭДС, состоящему, например, из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор на транзисторах, базовые цепи которых подключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обратного тока, подключенный зажимами переменного тока на выходные зажи1«1Ы инвертора, a зажимами постоянного тока-через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС И . Основной недостаток известного двигателя заключается в том, что при увеличении мощности двигателей и увеличении пусковых токов значительно возрастают его масса и габариты из-за больших габаритов конденсатора и разрядного резистора. Кроме того, при работе на больших скоростях значительно (ло 10%) снижа(тся его КПД,

Цель изобретения повышение коэффициента полезного действия вентильного двигателя, снижение его массы и габаритов.

Цель достигается тем, что в схему вентильного двигателя дополнительно введены датчик нулевого тока, логические элементы ИЛИ, вклю:Ченные между цепями управления транзисторов инвертора и устройством управления инвертора, блок определения режима работы двигателя (дЕ игательный или тормозной), состоящий, например, из пяти логических элементов , измерителя чередованкя .фаз и усилителя результирующего сигнала управления, устройство токо.вой блокировки, состоящее, например из шести логических элементов И-НЕ, релейный элемент, подключенный на ВЫХОД тахометрического устройства, причем, выход блока определения ре.жима работы двигателя подключен на :первый вход устройства токовой блокировки, на второй вход устройства токовой блокировки подключен выход датчика нулевого тока, первый выход устройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей для подключения к инвертору обратного выпрямительного моста, а второй выход стройства токовой блокировки - ко вторЕлм входам логических элементов ИЛИ, таким образом, чтобы при двигательном режиме транзисторны ключи были открыты и второй выход устройства токовой блокировки не влиял на работу логических элементов ИЛ при тормозном режиме транзисторные ключи были закрыты, а на выходе всег логических элементов ИЛИ был сигнал, открывающий одновременно все транзисторы инвертора, выход релейного элемента подключен на третий вход устройства токовой блокировки таким образом, чтобы на выходе устройства токовой блокировки при малой скорост были сигналы, соответствующие двигательному режиму работы.

Благодаря, такому подключению внов введенных элементов в двигательном режиме работы вентильного дв-игателя транзисторнне ключи открыты и обратный выпрямительный мост подключен параллельно транзисторному инвертору Энергия, запасенная в индуктивности рассеяния фазы двигателя, выходящей из работы, гасится через вентиль обратного выпрямительного моста, вновь открытый транзистор и фазу двигателя, остающуюся в работе. Перенапряжения натранзисторах отсутствуют.

При тормозном режиме работы ввнтильного двигателя транзисторные ключи закрыты, обратный выпрямительный мост отключен, а все транзисторы инвертора открыты постоянно сигналом с логических элементов ИЛИ. Транзисторный инвертор работает как ai-управляемый выпрямитель, отдавая энергию торможения двигателя через звено постоянного тока в питающую сеть. Перенапряжения на транзисторах также отсутствуют,

На фиг. 1 представлена принципиальная схема реверсивного транзисторного вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - диаграммы работы основных функциональных узлов.

Вентильный электродвигатель содержит управляемый выпрямительный мост 1, неуправляемый мост 2 обратного тока, транзисторные ключи 3 и 4,

предназначенные для подключения вентилей выпрямительного моста 1 параллельно транзисторам 5-10 инвертора при работе его в двигательном режиме, неуправляемые вентили 11-16 для защиты транзисторов от обратных напряжений, датчик 17 нулевого тока, предназначенный для контроля наличия тока в силовой цепи преобразователя, синхронную машину 18,датчик 19 положения ротора синхронной машины,

предназначенный для выдачи сигналов на переключение транзисторов инвертора в функции положения ротора, тахогенератор 20, систему 21 импульснофазового управления выпрямителя,регулятор 22 тока и скорости вентильного двигателя,блок 23 задания направления вращения аналогичный блоку логики раздельного управления комплектами преобразователей в реверсивном

электроприводе постоянного тока,предназначенный для безтокового переключения сигналов с датчика 19 положения .ротора и согласования реверсивных выходов регулятора 22 скорости и тока с

нереверсивным входом систе1у ы 21 при смене знака результирующего сигнала управления (дУу Ui,.UTr ) блок определения режима работы синхронной машины (двигательный или тормозной), состоящий из усилителя 24, используемого в качестве нуль-органа, логических элементов И-НЕ 25-29 и измерителя 30 чередования фаз, предназначенного для определения направления вращения ротора синхронной машины, устройство

токовой блокировки, состоящее из логических элементов И-НЕ 31-36 и предназначенное для запрещения переключения состояния силовых элементов преобразователя, соответствующего двигательному режиму, в состояние, соответствующее тормозному, при наличии тока в силовой цепи {при нулевом сигнале датчика 2 тока), логические элементы ИЛИ 37 (их число равно числу транзисторов инвертора), устройство 38 управления транзисторами инвертора, предназначенное для переключения сигналов с датчиком положения ротора при смене знака результирующего сигнала управления, релейный элемент 39, предназначенный для выделения зоны низких скоростей тормозного режима, где затруднена естественная коммутация тока фаз синхронной машины вследствие малой величины ЭДС вращения.

Все логические элементы выполнены на транзисторах п-р-п проводимост Полезным сигналом, открывающим транзисторные ключи, считается нулевой сигнал.

В исходном состоянии схемы напряжение задания скорости УЗОД равно нулю, напряжение на выходе выпрямителя 1 отсутствует и ток по секциям синхронной машины не протекает. Скорость двигателя равна нулю. На выходе устройства 39 и входах логических элементов И-НЕ 32-36 нулевой сигнал. При этом, на первом выходе устройства токовой блокировки (логический элемент 33) нулевой сигнал, а .на втором выходе (логический элемент 34) - единичный, не влияющий на работу логических элементов ИЛИ 3 от сигналов с датчика 19 положения ротора. При этом нулевым сигналом с логического элемента 33 транзисторные ключи 3 и 4 открыты. Открыты также и два транзистора инвертора сигналом с датчика 19 положения в соответствии с заданным блоком 23 направлением вращения двигателя.

Сигнал на выходе измерителя 30 чередования фаз и выходе блока определения режима работы двигателя (логический элемент 26) в первый момент не определен. Однако, благодаря наличию устройства 39 сигналы на выходе устройства токовой блокировки (логические элементы 33 и 34) соответствуют двигательному режиму работы вентильного двигателя.

При подаче задающего напряжения UjoA на выходе регулятора 22 появляется сигнал, углы управления системы 21 уменьшаются и на выходе выпрямительного моста 1 появляется напряжение. Одновременно сигналом с блока 23 задания направления вращения углы на выходе устройства 38 устанавливаются соответствукяцими двигательному режиму работы ( f, 0) при заданном направлении вращения, два тразистора инвертора открыты и по двум секциям двигателя протекает ток, создавая вращающий момент. При повороте ротора на угол 60 электрических градусов на выходе датчика положения появляется сигнал на переключение секции двигателя, транзистор .секции, например, А (транзистор 5) закрывается, а транзистор 6 секции

в открывается. Энергия индуктивности рассеяния секции А, выходящей из работы, разряжается через неуправляемый выпрямитель 2, открытый транзистор ключа 4, транзистор инвертора и фазу С, остающуюся в работе.

В дальнейшем описанный процесс повторяется через каждые 60 электрических градусов поворота ротора При этом результирующий сигнал л 1) UioA,- U-rr на входе усилителя 24 имеет такую величину и знак, что усилитель 24 находится в режиме насыщения и на его выходе устанавливается максимальный сигнал, соответствующий логической единице. На выходе измери5теля 30 чередования фаз после прихода второго импульса с датчика положения ротора устанавливается единичный сигнал. При повышении скорости двигателя выше зоны нечувстви0тельности нелинейного элемента 39 на его выходе устанавливается единичный сигнал и в дальнейшем он не влияет на работу схемы.

Дальнейшие изменения сигналов

5 на выходах устройства токовой блокировки возможны в функции сигналов с блока определения режимов работы (с логического элемента 26) при нуле тока в силовой цепи (единичный

0 сигнал на эыходе датчика 17 тока).

При снижении задающего напряжения Узад или смене его полярности меняется полярность на входе усилителя 24. При этом сигнал на его выходе

5 уменьшается с максимального до нуля, а сигнал с измерителя 30 чередования фаз остается прежним и равным единичному. При несоответствии сигналов с усилителя 24и с измерителя 3Q чередования фаз сигнал с выхода блока оп0ределения режима работы двигателя становится нулевым, так как на выходах логических элементов 25, 28 и 39 устанавливаются единичные сигналы, что соответствует тормозному режиму

5 работы венти1:ьного двигателя. Однако, пока в силовой цепи преобразователя протекает ток на выходе датчика 2 тока устанавливается нулевой сигнал, который поступает на второй

0 вход устройства токовой блокировки и никаких переключений в силовой схеме не происходит. Не происходит переключений и в регуляторах скорости и тока. При смене результирую5щего сигнала управления углы управления преобразователем уменьшаются до минимальных и выпрямитель 1 переходит в инверторньтй режим. Ток в силовой цепи уменьшается до нуля.

0 После этого запрет на переключение с датчика 2 тока снимается (на его выходе появляется логическая единица) и сигнал на выходе логического элемента 33 становится единичным,а на выходе элемента 34 - нулевым.

5 что приводит к закрытию транзисторных ключей 3 и 4 и открытию всех транзисторов инвертора. Двигатель работает в тормозном режиме, отдавая энергию через выпрямитель 1 в питающую сеть. Перенапряжения .на транзисторах инвертора в этом режиме отсутствуют, так как они полност открыты, а коммутация тока фаз осуществляется за счет ЭДС фаз синхронной машины. Переключение двигателя из тормоз ного режима в двигательный происходит следующим образом: При увеличении задающего напряжения UjdA-сигналы на выходе усилителя 24 и измерителя 30 чередования фаз становятся одинаковыми, что при водит к появлению единичного сигнала на выходе логического элемента 26. Однако, смена знаков на выходе логических элементов 33 и 34, открытие транзисторов 3 и 4 и закрытие транзисторов инвертора происход после снижения тока двигателя до ну ля и появления на выходе датчика 17 нулевого тока единичного сигнала. Лишь после этого на выходе логи(ческого элемента 31 появляется нулевой сигнал, вызывающий переключение статического триггера на логических элементах 32 и 33 и смену знаков на выходе логических элементов 33 и 34. Таким образом, закрытие транзист ров инвертора происходит без тока Н перенапряжения на них в этот момент отсутствуют. На фиг. 2 jj - скорость двигателя и}01Д. задающее напряжение; ток в звене постоянного тока U , 33 31 2 напряжения на вьдходе U2J, , Uj соответствующих элементов схемы. Использование предлагаемого изоб ретения позволяет исключить громозд кий блок защиты от перенапряжений транзисторов инвертора, снизить его массу и габариты и повысить коэ фициент полезного действия вентильного двигателя. Расчеты показывают, что при коммутации номинального тока фаз трех.фазной синхронной машины на номинальной частоте вращения при величине индуктцвного сопротивления короткого замыкания фазы ОД относительной единицы и величине индуктив ности сглаживающего дросселя в звене постоянного тока, в пять раз пре вышающей индуктивность короткого замыкания фазы синхронной машины, мощность, выделяемая во внешних устройствах (резисторы, ограничители перенапряжений), составляет 0,0874 номинальной мощности двигателя. Формула изобретения Реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику ЭДС, состоящему, например, из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор на транзисторах, базовые цепи которых подключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обратного тока, подключенный зажимами переменного тока на выходные зажимы инвертора, а зажимами постоянного тока - через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия вентильного двигателя, снижения его массы и габаритов, дополнительно введены датчик нулевого тока, логические элементы ИЛИ, включенные между цепями управления транзисторов инвертора и устройством управления инвертором, блок определения режима работы двигателя, состоящий, например, из пяти логических элементов И-НЕ, измерителя чередования фаз и усилителя результирующего сигнала управления, устройство токовой блокировки, состоящее, например, из шести логических элементов И-НЕ, релейный элемент, подключенный на выход тахометрического устройства, причем выход блока определения режима работы двигателя подключен на первый вход устройства токовой блокировки, на второй вход устройства токовой блокировки подключен выход датчика нулевого тока, первый выход устройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей, а второй выход устройства токовой блокировки - ко вторым входам логических элементов ИЛИ, выход релейного элемента подключен на третий вход устройства токовой блокировки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Аракелян А. К. и др. Вентильный электропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М., Энергия, 1977, с. 8-13. 2.Патент Японии № 51-14687, кл. 55 С 2, 1976.

Uifl

v