Вентильный двигатель Советский патент 1990 года по МПК H02K29/06 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вентильным двигателям, включающем много фазнук) машину с датчиком положения ротора5 сигналы которого управляют силовыми элементами мостового инвер тора, питающего эту машинуj к пред назначено для использования в контактных электроприводах различных объектов народного хозяйства (станки с ЧГБ% промышленные роботы, автома ™ тические линии H:TiA«,), По основному авт св., № 828930 известен вентильный двигатель, содер жащий ротор, статор с обмоткой якоря секции которой соединены с выходом инвертора; управляющие цепи ключей которого соединены через логическую схему с вторичной обмоткой датчика положения ротора, выполненного в ви да фазорегулятора с числом пар полюсов5 равным числу пар полюсов ротора трехфазная первичная обмотка датчика соединена с выходом трехфазного ис точника повьш1енной , где ло гическая схема содержит два формиро вателя прямоугольных .трехфазных сиг налов и вычитающий блок в трехфазном коде, вторичная обмотка фазорегулято ра выполнена трехфазной, причем пер вичная обмотка фазорегулятора соеди - нена с входом первого формирователя, вторичная обмотка сое,о,инена с входом второго формирователя, а выходные ши ны первого и второго формирователей с входами вычитающего блока, ажодные шины которого соединены с управляющи .ми цепями ключей инвертора В этом двигателе достигается высокая плавность движения, когда среднее значение угла между вектором по тока ротора и напряжением статора и поддерживается неизменным, а форма выходного напряжения инвертора соот ветствует широтно-т мпульсной моду ляции (ШИМ) ПС- трапецеидальному за кону, близкому к синусоидальной ШИМ По данному принципу возможно по« строение вентильного двигателя любой фазности Недостатком известного двигателя является изменение угла между векто рами потока ротора и тока ста:тора I при изменении частоты вращенияs Это изменение угла приводит к сийже нию на высоких частотах вращения КПД двигателя и не повзоляет ис пользовать в нем синхронно реактив иую машину из-за сложности осуществ лепня управляемого реверсаа Цель изобретения повьппение КПД и расширение функциональных возмож ностей Поставленная цель достигается тем, что в двигателе установлены первый счетчик импульсов, где стар ший разряд выполнен в многофазном коде по числу фаз двигателя, второй реверсивный счетчик, аналогичный по числу разрядов и их выполнению с первьм, формирователь синусоидальных многофазных напряжений, первый и второй цифровые двухвходовые сумма торы с выходными шинами в старшем разряде, второй вычитающий блок в многофазном коде, датчики тока в фя sax двигателя; схема сравнения многофазных сигналов, где первая и вторая шины сигналов внешней частоты соеди нены с выходными шинами первого и второго счетчиков, выходные цифровые шины первого счетчика соединены с входом формирователя синусоидальных многофазных напряжений и первыми входами цифровых сумматоров, второй вход первого сумматора соединен с выходными цифровыми шинами второго счетчика, а второй вход второго сум матора с внешними цифровыми шина ми задания знака электромагнитного момента; выходные шины старшего раз ряда первого сумматора соединены с первым входом первого вычитаюш:его блока, а выходные шины второго формирователя многофазных сигналов и вы ходные шины старшего разряда второго цифрового сумматора соединены соот ветственно с первым и вторым входами второго вычитающего блока, выход ко торого соединен с первым входом схе мы сравнения многофазных сигналов; второй вход устройства сравнения со единен с выходом первого формирователя прямоугольных многофазных сигна лов, вход которого соединен с выхода ми датчиков тока; выходные кщны схе мы сравнения многофазных сигналов соединены с входными шинами- задания режима работы второго реверсивного счетчика Устройство сравнения много фазных сигналов содержит 2т (т чис о фаз двигателя) двухвходовых логи ческих схем И, входные шины которых соединены с и инверс1-1Ь ми выодными шинами второго вычитающего блока; выходньш шины схем И соедине ны с входными шинами КЗ-триггеров выходные шины которых соединены с первым входом логической схемы, второй вход которой соединен с прямыми и инверсными выходными шинами перво го формирователя прямоугольных много фазных сигналов На фиг,1 представлена блок-схема устройства; на - цифровые сиг налы Е на выходных шинах первого счетчика и C, С на выходных шинах второго цифрового сумматора для двух знаков электромагнитного момента; на эквивалентные многофазному (трехфазному) коду цифровые сигналы обычного цифрового кода на выходных шинах второго цифрового сумматора С и на выходных шинах второго формиро вателя В; на - когда угол меж ду трехфазными сигналами С и В мень ше 2и/3; угол между- трех фазными - сигналами, больше Т/З и мень ше 2п/3; угол между трех фазными сигналами больше 2ii/3 и мень ше IT; угол между трехфазными сигналами больше к меньше 4ii/3; угол между трехфазными сиг налами больше Ап/З и меньше Зп/З; угол между трехфазными сигналами больше и меньше (Слева от этих цифровых сигналов при ведены значения разности между сигналами С и:В Аналогичным образом изображаются цифровые сигналы разнос ти между сигналами Аи В) ; на приведены эквивалентные многофазному (трехфазному) кодз цифровые сигналы обычного цифрового кода-на выходных шинах второго вычитающего блока Q за оборот двигателя и соответствующие им многофазные (трехфазные) сигналы L ; на - многофазные (трехфазные) сигналы на выходных шинах второго вычитающего блока Q(q;( ,Ч2.Ч зсоответствующие им сигналы обычного цифрового кода и сигна.пы К (-Kg; на - принципиальная схема устройства сравнения многофазных (трехфазных) сигналов; на .- многофазные (трехфазные) сигналы на выходных шинах первого формирователя прямоугольных сигналов I(i( ,i.,i) и сигналы L(l,,l2.jl3) 5 - сигналы L опережают по фазе сигналы I; на - сигналы L отстают по фазе .от сигналов I; на приведена таблица разности в цифрах обычного кода сигналов I и L ; на век торная диаграмма вентильного двигате ля с двухполюсной синхронной машиной когда на всех скоростях вращения угол между векторами потока ротора Р и тока статора I поддерживается равным 90 эл град; на - векторная диаграмма вентильного двигателя с двухполюсной синхронно-реактивной машиной, когда угол между сектором тока статора I и продольной осью ротора поддерживается равным 45 эл град Б качестве примера будем рассматривать трехфазный вариант вентильного двигателя Выходные шины трехфазного мостового инвертора 1 соединены с обмот ками статора трехфазной синхронной или синхронно-реактивной машины:2 В фазах двигателя установлены датчт ки тока 3, выходы которых соединены с входными шинами первого формирователя 4 трехфазных прямоугольных сиг налов На валу двигателя установлен фазорегулятор 5, число пар полюсов которого равно числу пар полюсов двигателя. 2 Первичные обмотки фазорегулятора 5 подключены к высокочастотному источнику трехфазного синусоидального напряжения, который состоит из последовательно соединенных первого Счетчика 6 и формирователя синусоидальных трехфазных напряй е-НИИ:7 Счетчик 6, счетный вход которого соединен; с шиной 8 внешней час тоты f , состоит из последовательно соединенных младших разрядов 6а и старшего разряда 66, который выполнен в трехфазном коде Цифровые выходы шины счетчика б соединены с входом формирователя 7 и первыми входами первого 9 и второго 10 цифровых сумматоров, которые имеют выходные цифровые шины для старшего трехфазного разряда Второй вход первого сумматора 9 соединен с цифровыми выходными шинами второго ревер- сивного счетчика 11, емкость которого аналогична счетчику;6 Счетный вход счетчика 11 соединен с шиной 12 внешней частоты f. Второй вход второго сумматора 10 соединен с входными цифровыми шинами 13 задания знака электромагнитного момента Вы ходные обмотки фазорегулятора 5 под- ключены к входным шинаы второго фор | мирователя 14 прямоугольных трехфаз ных сигналов Выходные шины формиро вателя 14 подключены к вторым входам первого 15 и второго 16 вычитающих 79 блоков Первый вход первого вычитаю щего блока 15 подключен к выходу сумматора 9, а первый вход второго блока 16 к выходу сумматора 10а Выходные шины блока 15 соединены с управляющими входами силовых элемен тов мостового инвертора : 1 и Выходнь е шины формирователя 4 и блока 16 под ключены к входу схемы сравнения 17 трехфазных сигналов Выходные шины схемь J7 соединены с входными шинами задания режима работы реверсивного счетчика 11 Выполнение счетчика 6, 11 и сумматоров 9, 10 общеизвестное, Выполнение вычитающих блоков 15, 16 приведено в 1J Схема сравнения трехфазных сигна лов () состоит из двухвходовых логических элементов И первые входы которых соединены с прямыми и инверсными шинами сигналов второго вычитающего блока 16 На выходных шинах логических элементов фор мируются соответственно сигналы К, q.q2;Kg 0 V 5 5iq2. К1 qgq,; К, ,; Kj К 3 q (фигс,5). Выходные шины логических элементов. 18, 19 соединены с входны ми пшнами К8 триггера 24, выходные шины логических элементов 20, 21 триггера 25. выходные шины логичес ких элементов 22, 23 триггера 26 б Выходные ишны триггеров трех фазных сигналов L соединены с первым входом логического элемента 27, вто .рой вход которого соединен с выход ными шинами формирователя 4 трехфаз ных сигналов: Логический элемент формирует два сигнала m и т по еле дующему логиЧгескому зако21у т, Т, IjiiijVl, 121 Д2.2-з -г Э к Vl,l3i,ijVl,i2riij.Vl2l3 -2.4 m2 l iljii lai i2.Vl2l3- z 3 к VliLjiiljVl l iJ Vl l izis Схема устройства работает следую щим образом При рассмотрении работы устройст ва первоначально примем, что в нем установлена двухполюсная синхронная машина с возбуждением от постоянных магнитов Примем выполнение счетчи ков 6, П емкостью от О до 599 цифровых сигналов (младшие разряды от О до 99, старший разряд от О до. 5). Сигналы высокой частоты fj, поступая на входную шину 8 счетчика 6, вызывают периодическое появление на его выходных щинах цифровых сигналов Е от О до 599 (). Сигналы, например, старшего разряда, которые соответствуют трехфазным прямоуголь ным напряжениям, формируют в блоке 7 (фильтру выделения первой гармоничес кой составляющей) синусоидальные трехфазные напряжения U, питающие первичные обмотки фазорегулятора:5. Такое же синусоидальное напряжение наводится на выходных обмотках фазо регулятора 5, которое в формировате ле 14 преобразуется в трехфазные пря моугольные сигналы Фаза выходного напряжения фазорегулятора 5 изменяет ся относительно первичного напряже ния питания от нуля до 2ii в зависи мости от углового положения ротора двигателя 6 Такие же угловые соотно шения сохраняются между трехфазными прямоугольными сигналами на выходе формирователя 14 и сигналами старшего разряда счетчика:6 Для создания положительного знака электромагнит ного момента (против часовой стрел ки), когда угол между вектором маг нита ротора ф и вектором тока ста тора I равен 90 элоград, на входные цифровые ш:ины 13 подаются цифровые сигналы Hgi, соответствующие цифре 350 (обратные цифре 149), а для создания электромагнитного момента другого знака сигналыs соответст вующие цифре 149 . Этим самым обес печивается сдвиг цифровых сигналов Е на выходных шинах сумматора 10 от носительно цифровых сигналов Е на его входных шинах на Т/4 и +Т/2, где Т период частоты напряжения пи тания:5 При частотах вращения дви гателя около нулевого значения, ког да вектор, тока статора I и напряже ния и совпадают по фазе, такие же цифровые значения устанавливаются в реверсивном счетчике 11 Следова тельно, цифровые сигналы А на выход ных шинах сумматора 9 сдвинуты отно сительно сигналов Е в полном .соот ветствни с сигналами С на выходных шинах сумматора 10 Рассмотрим ра боту для положительного знака элект ромагнитного момента При угловом положении ротора, когда трехфаз:ные напряжения на выходных шинах суммато, ра 9 и формирователя 14 совпадают и, следовательно, изменение цифровых сигналов происходит синхронно, их разность на выходных шинах блока 15 соответствует цифре О Этому зна чению соответствует включение сило вых элементов мостового инвертора, когда вектор напряжения располагает ся под углом IT/Z к вектору. При вращении ротора от О дои/З происхо дит периодическое появление на вы ходных шинах блока 15 цифровых сиг налов О, 1 ()о Причем, при приближении ротора к угловому положению IT/S время появления на выходе блока 15 цифры 1 увеличивается, а дифры О уменьшается При угловом положении ротора (Г/3 разность между цифровыми сигналами А и В соответст вует цифре Этому положению со ответствует вектор напряжения, кото рый расположен к вектору потока рото ра под углом И/2 При дальнейшем вращении ротора двигателя от значения до 2ii/3 (фиг.36) происходит периодическое появление на выходных шинах .блока 15 цифровых сигналов, 1, 2. Причем при приближении ротора к угловому положению 2iV/3 время появление цифры 2 увеличивается, а цифры уменьшается При угловом положении ротора 2и/3 (фиг.Зв) разность между цифровыми сигналами А и В соответствует цифре 2 Этому по ложению также соответствует вектор напряжения, который расположен к вектору потока ротора под углом Таким образом, при частоте вращения около нулевого значения работа устройства полностью совпадает с известным по основному ., когда среднее значение между векторами потока ротора ф и напряжения U, а следовательно, и тока I поддерживает ся неизменным и равным -7/2. При этих частотах цифровые сигналы Q на выходных шинах блока 16 полиостью совпадают с цифровыми сигналами D . на. вьЕходных шинах блока 15 (фиг«4). При этом цифровые сигналы К;,-Kg () с выходных шин логических элементов И 18-23 формируют на выходных шинах RS-триггеров.24-26 трехфазные прямоугольные сигналы L(i,r,I,), частота которых совпадает с частотой выходного напряжения мостового инвертора 1,,а фаза совпадает с аналогичными трехфазными пря9моутольными сигналами на выходных шипах формирователя-4. Следовательно, на выходных шинах mj, m схемы 17 не будет сигналов и счетчик 1I сохраняет цифровое значение 350 При увеличении частоты вращения, когда вектор тока статора начинает отставать от вектора напряжения на угол ( О, происходит сдвиг между трехфазными сигналами 1(1,12,1 ) на выходных щинах блока 4 и сигналами L(l,l2,i), (фиг.7а), Цифровое значение разности этих сигналов в экви- валентных цифрах обычного кода может выражаться значениями 1, 2. В соответствии с таблицей разности цифровых сигналов L, I () множест во значений для цифр I, 2 определяется лoгичecки выражением для когда счетчик 1 1 включа-сигнала m ется для режима.суммирования посту пающих на его вход 5 мпyльcoв внешней частоты. Увеличение цифровых си.тна лов на выходных ипшах счетчика 1 приводит к развороту вектора напря- женин (фиг.9) и по наиравлению вращения .роторг двигателя до тех пор, пока вектор тока I не займет иоложе- ния под углом -7/2 к вектору потока ротора (р и сигналы L, I не будут совпадать по фазе. В это время счетчик 11 будет остановлень Если произойдет уменьшение частоты вращения, то сдвиг между трехфазными сигналами I, L будет определяться фиг.76, когда цифровое значение разности этих сигналов в эквивалентных цифрах обычного кода может выражаться значения- ми 5, 4. В соответствии с таблицей разности цифровых сигналов L, I () множество цифровых значений для цифр 5, 4 определяется логическим выражением для сигнала m когда реверсивный счетчик 11 включается для режима вычитания поступающих на его вход импульсов частоты f. Уменьшение цифровых С1 гналов на выходных шинах счетчика 11 приводит к развороту вектора напряжения U., против вращения ротора двигателя до тех пор, пока вектор тока I не займет положение под углом -и/2 к вектору потока ротора (Р и сигналы L, I не будут совпадать по фазе и:т.д. Работ, устройства при отрицатель ном знаке электромагнитного момента аналогична рассмотренной выше.

- 944472

Работа усГтройсгва при использова НИИ в нем гСинхронно реактивиого дви гателя () будет отличаться от рассмотренной выше только значениями цифровых еигналов на входных шинах блока 10, что определяет расположв кие оси стабилизации направления век тора тока статора под углом |3 ; 45 эл градв к продольной оси ротора д

Таким образом, устройство позволяет использовать не только синхрон ную машину, но и синхронно реактив

ную, когда во всех режимах работы обеспечивается --поддержание неизмен ным оптимального угла между вектором тока статора и продольной осью рото ра двигателя что ведет к. повышению КПД двигателя на высоких частотах При этом форма выходного напряжения инвертора.также, как в ОСНОВНОМ- изобретении, .соответствует 1шротно импульсной модуляции (ЫИМ) по трапецеидальному закону, близкому к синусоидальной ШИМ

:1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ по авт. св. № 828930, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повыше ния КПД и расширения функциональных возможностей, в нем установлены пер вый счетчик импульсов, где старший разряд выполнен в многофазном коде по числу фаз двигателя, второй рёверсивный счетчик, аналогичный пО числу разрядов и их выполнению первому, формирователь синусоидальных многофазных напряжений, первый и второй цифровые двухвходовые сумматоры с выходными шинами в старшем разряде, второй вычитающий блок в многофазном коде, датчики тока в фазах двигателя, схема сравнения многофазных сигналов, где первая и вторая шины сигналов внешней частоты соединены с входными шинами первого и второго счетчиков, выходные цифровые шины первого счетчика соединены со входом формирователя синусоидальных многофазных напряжений и первыми входами цифровых сумматоров второй вход первого сумматора соединен с выходными цифровыми шинами второго счетчика, а второй вход второго сумматора - с внешними цифровыми шинами задания знака электромагнитного момента, выходные шины старшего разряда первого сумматора соединены с пер вым входом первого Еычитаюш;его блока, а выходные шины ь торого формирователя прямоугольных многофазных сигналов и выходные шины старшего разряда второго цифрового сумматора - соответственно с первым и вторым входами второго вычитающего блока, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения многофазных сигналов, второй вход схемы сравнения соединен с выходом первого формирователя прямоугольных многофазных сигналов,вход (О которого соединен с выходами датчиков тока, выходные шины схемы сравнения многофазных сигналов соединены с входными шинами задания режима работы второго реверсивного счетчика. :2. Двигатель по;п.1, о т л и - чаюш;ийся тем, что схема срав4 нения многофазных сигналов coдepжIiт 2т (т - число фаз двигателя) двух- ..J входовых логических элементов И,входные шины которых соединены с прямыми Ю и инверсными выходными шинами второго вычитающего блока, выходные шины элементов И соединены с входными шинами RS-триггеров, выходные шины которых соединены с прямыми и инверсными выходными шинами первого форми рователя прямоугольных многофазных ю сигналов.

Фиг.г

1г I g I Г I 2 I J I 101 12 Г J

10 D1 2 f 0 .1 1 I g 2,f g I M g 2 5 I g Г / ЗЛi 50/

2 I J I I I I .3 I J I I I

if 1 2 I r I I 5- . I z 5; I g I 3 I I 5 15 0,5 If I 2 I 3 I

J a

/ фи1.5 4 I C/ I 4 I I В I J I I I J I J I 2J I / 2 2 I 0 1 G I r

f

г

к

Csi

JCVI

l

.b 1

I ii

Ь I

I

- I

Фиг.5

фиг, 6

Ч

I

3 V 5

8 1

П I I

12 I

.ti

1 i I

it,

i2

I 11 tf I I I I

i I

фиг. 7

Ji.

it

fl

HiMZ f

фыт.8

pj