Вентильный электродвигатель Советский патент 1982 года по МПК H02K29/00 

(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Изобретение относится к электротехнике, в частности к электродвигателям для регулируемого электропривода и может найти применение в электроприводах металлорежущих станков и других механизмов. Известен вентильный электродвигатель (БД) содержащий датчик положения ротора, каждый чувствительный элемент которого соединен чере группы многовходовых логических схем И с входами, по крайней мере, двух усилителей мощности, осуществляющих подключение секций обмотки якоря к источнику постоянного тока, причем вторые входы схем И каждой группы соединены с соответствующими входами командного устройства 1 . . Недостаток такого ВД заключается в невозможности плавного в щироких пределах регулирования угла опережения включения силовых вентилей для обеспечения высоких энергетических показателей ВД и коммутации тока тиристоров инвертора в случае применения ВД с зависимым инвертором, что отрицательно влияет на динамические характеристики двигате ,ля. Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности вентильный Двигатель, содержащий синхронную машину, секции якорной обмотки которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, имеющему щирокий (0-180 эл.град) предел регулирования угла опережения открывания тиристоров инвертора, индуктор, якорь, секции обмотки которого через ключи инвертора подключены к регулируемому выпрямителю, датчик положения ротора, состоящий из высокочастотного генератора, выходных обмоток и усилителей, причем к выходным каналам усилителей датчика положения ротора подключены входы генератора пилообразных напряжений, преобразователя частоты в напряжение и первые входы логических схем совпадения, объединенных выходными зажимами по три на каждый канал зшравления, нуль-орган, преобразователь опорного напряжения, вход которого подключен к выходу задатчика углов управления, выход нуль-органа подключен на вторые входы логических схем совпадения, а каждый из трех выходов преобразователя опорного 397 напряжения подключен к одному из третьих входов логических схем совпадения одного канала управления, объединенные выходы логических схем совпадения каждого канала управления .подключены на входы статических триггеров, включенных по кольцевой пересчетной схеме, н импульсные устройства управления инвертором, входы которых подкшочены к выходам статических триггеров, а выходы - на входы ключей инвертора, ири вращении ротора ВД на выходе усилителей датчика положения ротора появляются сигналы (логическая единица) длительностью 60 эл.град частота следования которых в устройстве преобразуется в напряжение и подается на вход генератора пилообразных напряжений. При этом наклон пилы пропорционален выходному напряжению уст ройства, частоте следования сигналов с датчика положения ротора, а значит,и скорости двигателя и амплитуда пилы не зависит от скорости Сигнал на переключение ключей инвертора пост пает через импульсные устройства управления с выхода статических триггеров, которые, в свою очередь, управляются сигналом с объединенных выходов логических схем совпадения, появляющимся при наличии на всех трех, вхо дах одной из них логических едиьшц. При этом .генератор пилообразных напряжений регулирует фазу сигнала зшравления в пределах О- 60 эл.град, а преобразователь опорного напряжения - на величину, кратную 60 эл.град. Сигналы с выхода датчика положения ротора, определяют зону прохождения данлых сигналов на вход статического триггера и секцию синхронной машины, по которой должен быть пропущен ток при данном положении ротора 12. , Недостатком известного ВД является отсутствие информации на входах статических триггеров в первый момент после подачи напр жения питания на силовые цепи и цепи управ ления (на всех трех выходах командного устройства присутствуют логические нули, на выходе всех логических схем совпадения - также нули). Поэтому статические .триггеры могут находиться в произвольном состоянии и подать управляющий сигнал на ключи инвер тора, не соответствуюпдае положе «по датчика положения ротора ВД. При этом пусковой .момент, несмотря на наличие бол&шого тока, может быть близок к нулю. .Мгновенное значение момента, развиваемого двигателем при протекании посто)шного тока п двум 96КЦИЯМ ВД, зависит от положения ротора и определяется формулой М MI CI C-COS© , где MjjiaKc - максимальное момента ВД; 9 - угол сдвига ротора от положения, соответствующего максимальному момецту. При работе ВД с углами опережения открыания ключей инвертора по отношению к точке ересечения фазных ЭДС ft О, что соответтвует 9н -2-, угол в меняется в пределах {, J.. и мгновенные значения момента ор ишь на 14% меньше его максимального значеия. Но если включить двигатель в мрмент, огда /S -4-, то, несмотря на наличие тока секциях, момент ВД будет равен нулю (0н - 90 эл.град) и его ротор остается в неподвижном состоянии. То же происходит и при ( -у , но при наличии момента статической нагрузки на валу. Аналогичное явление наблюдается и при смене направления вращения двигателя, когда состояние некоторых статических триггеров до прихода новой информации соответствует прежнему вращению и углы управления ключами инвертора не соответствуют оптимальным значениям. Кроме того, при применении зависимого инвертора с коммутацией тиристоров за счет ЭДС фаз синхронной машины несоответствие углов управления заданным при переключении режимов работы может привести к прорыву инвертора и отключению двигателя. Таким образом, известный ВД не обеспечивает пуск с номинальным статическим моментом на валу и имеет неудовлетворительные динамические характеристики. Цель изобретения - улучшение динамических характеристик вентильного двигателя путем увеличения начального значения момента ВД при пуске, реверсе и изменении режима ра13оты. Указанная цель достигается тем, что в вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину , секции якорной обмотки которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, датчик положения ротора, генератор пилообразного напряжения, нуль-органы, выходы которых связаны с входами логических схем совпадения, у которых объединены выходы каналов управления, статические триггеры и узел фиксащш исходного состояния схемы, введены две группы логических схем совпадения, первые входы которых подключены непосредственно или через инвертирующие логические схемы на соответствующие выходы датчика положения , ротора, вторые входы введенных логических схем совпадения первой группы подключены непосредственно или через инвертирующую логическую схему к выходам логических схем совпадения с объединенными выходами.

а выходы - на входы соответствующих статических триггеров, вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены непосредственно или через логическую схему И-НЕ на выход узла фиксации исходного состояния схемы.

Вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй фуппы могут быть подключены непосредственно или через логическую схему И-НЕ на выход логического устройства бестокового переключения режимов работы двигателя.

(Кроме того, могут быть введены ключи и узел дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен непосредственно или через логическую схему И-НЕ на вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы, ключи включены между выходами датчика положения ротора и первыми входами логических схем совпадения дополнительно введенной первой группы.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу

ВД содержит синхронную машину 1 (СМ), секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения, состоящему , например, из регулируемого выпрямителя 4 с системой

5импульсно-фазового управления, системой

6регулирования тока и скорости, датчиком

7нулевого тока и задатчиком 8 скорости

. и направления вращения и датчик 9 положения и пути ротора.

К выходам каналов датчика 9 пути подключены входы индикатора 10 направления вращения и генератора 11 пилообразных напряжений, содержащего, например, счетное устройство и преобразователь код-аналог. Выход генератора пилообразных напряжений подключе на входы нуль-органов 12-14, имеющих разный уровень смещения рабочей точки. Вторые входы нуль-органов объединены и подключены на выход задатчика 15 угла управления инвертором. Устройство также содержит по три на каждый канал логических элемента совпадения с объединенными выходами (на первый канал - логические схемы 16-18), первые входы которых непосредственно или через ключи 19 (для реверсивного ВД) подключены на выходы соответств}тощих нульорганов. Вторые входы логических схем 1618 подключены на соответствующие выходы устройства 20 преобразования сигналов с дат-чика положения ротора в импульсы длительностью 60 эл.град. Выходы устройства 20 через дифференцирующие цепочки 21 подключены также на вход генератора 11 пилообразных напряжений. Объединенные выходы логических элементов совпаде1шя 16-18 подключены через инвертирующую логическую схему 22 на входы логических элементов 23 и 24 совпадения дополнительно введенной первой группы, вторые входы которых подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логическнй элемент 25 (для других каналов управления - через логические схемы 26 и 27) и ключи 28 (для реверсивного ВД) на вход датчика положения ротора. Первые входы логических схем 29 и 30 совпадения дополнительно введенной второй группы подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 31 (для других каналов управления через логические элементы 32, 33) на выход датчика положения ротора ВД.

В нереверсивном ВД вместо двух групп инверти.рующих логических элементов 25-27 и 31-33 может использоваться только одна, например 31-33. Вторые входы логических элементов 29 и 30 совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены через логическую схему И-НЕ 34 на выходы узла 35 дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, узла 36 фиксации исходного состояния схемы, представляющего собой, например, релейт ш элемент, включенный в исходном состоянии схемы, и логическое устройство 37 бестокового переключения режимов работы. Соответствующие выходы дополнительно введенных логических элементов совпадения первой и второй групп объединены и подключены на входы статических триггеров (для первого канала управления - на вход статического триггера 38), выходы которых непосредственно или через ключи 39 (для нереверсивного ВД с торможением и реверсивного ВД) подключены к соответствующим входам дешифратора сигналов с триггеров, выполненных на логических элементах И-НЕ 42- 47. Логические элементы 16-18, 22-24, 29 и 30 с триггером 38 и ключами 39 предназначены для формирования зон управления противофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазе А синхронной машины. Для управления противофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазам В и С синхронной машины, служат аналогичные группы схем 40 и 41.

Выходы дешифратора на логических элементах 42-47 подключены на входы импульсных устройств 48-53 уйравления тиристорами инвертора.

На фит. 1 и 2 приняты также следующие обозначения: Uj.- импульсы, управления трристоров вьтрямителя и инвертора; Ц.и, и - логические сигиалы на выходе датчика положения рото|)а; и - напряжение на выходе генератора шшообразнь1х напряжений 11 и смещенные пилообразные напряжения на входе нуль-органов 12-14; Цл, М(2|, Ц 11 логические сигналы на вы ходе нуль-органов 12-14 и логического элемента 22; напряжение на выходе задатчика 15 угла управления; 201 10 г- логическиесигналь на выходах 1, 2 и 3 устройства 20; логические сигналы на выходе дифференщгрующих цепочек 21; и и л. - логические сигналы на первом iV 14 входе логических элементов 23 и ,„.6b.lГ логические сигналы на пер вом и втором выходах ста тического триггера 38; и,,- логический сигнал на выходе логического элемента И-НЕ 34. В исходном состоянии схемы на вьЕХоде задатчика 8 скорости присутствует нулевой сигнал, углы управления тиристорами выпрями теля 4 близки к 160 эл. град и напряжение на выходе источ1шка 3 регулируемого напряжения равно нулю . На выходе узла 36 фиксации исходного состояния схемы находится логический нуль, который переводит сметное устройство.генератора пилообразных напряжений в исходное состояние, когда на его выходе также присут ствует нулевой сигнал. При этом в зависимости ; от уровня сигн ла с устройства 15 логический нуль может быть на выходе всех нуль-органов или тольк двух. В первом случае на выходе логических элементов 16-18 совпадения первого канала управления, а также аналогичных схем других каналов появляется логическая единица, на выходе инвертирующего логического элемента 22 - логический нуль, а выходах схем 23 и 24 - логическая единица, которая не влияет на состояние триггера 38. Одновременно на выходе логического эле мента И-НЕ 34 под действием сигнала с узл 36 появляется логическая единица, которая снимает блокировку с входа логических злементов 29 и 30 совпадения. При этом сигнал на выходе схем 29 и 30, а значит, и состояние триггера 39 определяется сигналом на их Первых входах с датчика положения ротора. Во втором случае, когда на выходе одного из нуль-орагнов находится логическая единица, сигналы на выходах логических элементов 23 и 29, 24 и 30 совпадают и определяются сигналами с датчика положения ротора. Сигналы с выходов статических триггеров через ключи 39 (для первого канала управления) поступают на входы элементов 42-47, совпадения, на третьи входь которых поступает сборка импульсов управления регулируемого выпрямителя и импульсы управления тиристорами, инвертора, сформированные, например, по ронтам переключения триггеров 38 и тригге- . ров других каналов управления. При наличии логических единиц на всех третьих входах соответствующих двух из шести логических элементов 42-47 m их выходах появляется логический нуль, а на выходе двух из шести импульсных устройств 48-53 появляется управляющий сигнал, который открывает соответствующие два тиристора инвертора. Но поскольку на выходе выпрямителя 3 напряжение отсутствует, то ток в секциях синхронной машины не протекает и ротор двигателя неподвижен. При появлении напряжения на выходе задатчика скорости заданной полярности, соответствующей, например, направлению Вперед углы управления тиристорами выпрямителя 4 становятся меньше 90 эл.град и на выходе выпрямительного моста 4 появляется напряжение. Одновременно логическое устройство 37 переключается в состояние, соответствующее направлению Вперед, переводя при этом ключи 39 в положение, когда на входы логических элементов 42-47 поступают сигналы с выходов триггеров 38 (для первого канала управления), также соответствующие направлению Вперед. На выходах двух импульснь1х устройств появляются управляющие импульсы, два тиристора инвертора 2 открываются и по секциям См в соответствии с состоянием датчика положения ротора начинает протекать ток и ротор двигателя поворачивается на определенный угол. Индикатор 10 направления вращения включается в состояние, соответствующее направлению Вперед, включая в этом же направлении клюта 19 и 28. При повороте ротора на выходе генератора И пилообразных напряжений сигнал снижается по линейному закону (может быть построена схема ВД, работающая и на нарастание сигнала на выходе генератора пилообразных напряжений). При уменьшении на входе нуль-органа, например , 12 суммы сигналов с генератора 11 и источника смещения ниже сигнала с задатчика 15 на его выходе появляется логическая единица, которая поступает на первый вход логического элемента 16 первого канала упра ления и первые входы аналогичных схем второго и третьего каналов управления. При этом в соответствии с 60 град, зоной разрешения (наличие логической единицы на втором вход например, логической схемы 16 с устройства 20) сигнал с нуль-органа проходит через логический элемент 22 на вход логических элем тов совпадения 23 и 24, на одт из первых входов которых, например 23, поступает сигнал разрешения (логическая единица) длительностью 180 эл.град через ключи 28 с датчика 9 положения ротора. При наличии двух логических единиц на входе логического элемента 23 на ее выходе появляется логический нуль который переключает статический триггер 38 Сигнал на входах логических схем И-НЕ 42, 43, 46 и 47 меняется, что приводит к включению других импульсных устройств и открытию другой пары ключей инвертора 2. При этом ток нагрузки протекает по другим секвдям СМ и ротор двигателя начинает поворачи ваться на следующие 60 эл.град. В моменты смены сигналов с каналов датчика положения ротора (через 60 эл.град) дифференцирующие цепочки 21 пропускают передний фронт сигнала на вход генератора пилообразных напряжений, который приводит генератор в исходное состояние. При дальнейшем повороте ротора сигнал на его выходе вновь снижается по прямолинейному закону и после его уменьшения ниже задающего с задатчика 15 вновь включается нуль-орган и сигнал с него проходит в соответствии с зонами разрешения с устройства 20 и датчика положения ротора на вход статического триггера, но уже другого канала управления. Внов происходит переключение ключей инвертора 2 и поворот ротора еще на 60 эл.град. СМ работает в двигательном режиме. При этом на выходе узлов 35 и 36 присутствуют логические единицы, а на выходе логической схемы И-НЕ 34 - логический нуль, который запрещает прохождение сигнала с датчика положени ротора на логические элементы 29 и 30 и вход статического триггера и последний управляется сигналами с нуль-органа в соответствии с сигналами зон разрешения с датчика 9, поступак щими через ключи 28 и логичес кие элементы 25-27 на входы логических элементов 23 и 24. Сигнал на перевод ВД в тормозной режим или на реверс поступает с системы 6 регулирования тока и скорости ВД. При этом тиристоры выпрямителя 4 переводятся в инверторный режим, ток секции СМ спадает до нуля, логическое устройство 37 переключается, переключая ключи 39 таким образом, чтобы фаза сигналов со статических триггеров на входы логических элементов 42-47 сменилась на 180 эл.град. Одновременно в момент переключения логического устройства 37 на одном из его выходов кратковременно появляется логический нуль, который поступает на вход логического элемента И-НЕ 34. На ее выходе появляется логическая елиница, которая поступает на входы логических элементов 29 и 30 первого канала управления и входы аналогичных схем других каналов зшравления. При этом на их выходах появляются сигналы в соответствии с сигналами датчика 9, приводя в соответствие с ними состояние статических триггеров. Если в первый момент после исчезновения логического нуля на входе элемента 34 сигналь на выходе нуль-органов 12-14 равны , то углы управления тиристоров инвертора 2 усганавливаются в соответствие с датчиком положения ротора, сохраняя свое значение до прихода информаш1и с нуль- органов. Аналогшшым образом происходит обновление информации на входе статических триггеров и при смене направления вращения« При этом в случае переключения индикатора направления вращения через узел 35 дифференцирования фронтов сигналов на входе логического элемента 34 появляется кратковременно логический нуль, а на его выходе - логическая единица, разрешая прохождение сигналов с датчика 9 на вход стат1тческих триггеров. Таким образом, благодаря использованию вновь введенных элементов перед пуском, сменой направления вращения и при переключении режима работы происходит установка статтеских триггеров в соответствие с датчиком положения ротора, а значит , и углов управления ключами 1гавертора соответственно заданным. Это повышает пусковой момент двиптеля, улучшает его динамические характеристики и позволяет применить наиболее простой тип инвертора - зависимый, где коммуташ{я тока тиристоров осуществляется за счет ЭДС секции вентильного двигателя. Формула изобретения 1. Вентильный электродвигатель, содержаий индуктор, якорь с обмоткой, секции котоой подключены через инвертор к источнику егулируемого напряжения, датчик положения отора, генератор пилообразного напряжения, уль-органы, выходы которых связаны с вхоами логических элементов совпадения, у коорых объединены выходы каналов управления, татические триггеры и узел фиксации исходого состояния триггеров, отличаюП97

щ и и с я тем, что, с целью улучшения динамических характеристик вентильного двигателя, введены две группы логических элементов совпадения, первые входы которых подключены к выходу датчика положения ротора, вторые входы введенных логических элементов совпадения первой группы подключены к выходам логических элементов совпадения с объединенными выходами, а выходы соединены с входами статических триггеров, вторые входы логических элементов совпадения введенной второй группы объединены и подключены к выходу узла фиксации исходного состояния.

2. Электродвигатель по п. 1, о т л и ; чающийся тем, что он снабжен блоком бестокового переключения режимов работы двигателя, к выходу которого подключены вто12

рые входы логических элементов совпадения введенной второй группы.

3. Электродвигатель по п. 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что дополнительно введены ключи и узел дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен на вторые входы логических элементов совпадения введенной второй группы, ключи подсоединены между выходами датчика положения ротора и первыми входами логических элементов совпадения введенной первой группы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 524275, кл. Н 02 К 29/00, 1973.

2.Авторское свидетельство СССР № 527804, кл. Н 02 К 29/00, 1974.