Реверсивный вентильный электродвигатель

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления объектов различного назначения. Целью изобретения является повышение точности стабилизации частоты вращения. Указанная цель достигается тем, что в реверсивный вентильный электропривод введены два блока 14 и 15 сравнения, два фильтра 16 и 17 низких частот и два фильтра (Ф) 18 и 19 высоких частот. Введение указанных блоков обеспечивает наличие отрицательной обратной связи и исключает влияние на частоту вращения изменения параметров датчика 9 положения. 2 з.п. ф-лы, 5 ил. (pUS.i

СОЮЗ COSETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU, 12971

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

:Ь

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3964575/24-07 (22) 15. 10.85 (46) 15.03.87, Бюл. И- 10 (72) Л.М,Епифанова, В.Н.Куликов, А.Г.Микеров и А.В.Яковлев (53) 62-83:621.313.392 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 327552, кл, Н 02 К 29/06, 1972.

Столов Л.И,,Авиационные моментные двигатели. М.: Машиностроение„ 1979, с.58-60. (54) РЕВЕРСИВНЫИ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРО=

ДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в (50 4 Н 02 К 29 06 Н 02 Р 6/02 системах управления объектов различного назначения, Целью изобретения является повышение точности стабилизации частоты вращения. Указанная цель достигается тем, что в реверсивный вентильный электропривод введены два блока 14 и 15 сравнения, два фильтра 16 и 17 низких частот и два фильтра (Ф) 18 и 19 высоких частот, Введение указанных блоков обеспечивает наличие отрицательной обратной связи и исключает влияние на частоту вращения изменения параметров датчика 9 положения ° 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1297186

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления объектов различного назначения со стабилизированной частотой вращения. 5

Целью изобретения является повышение точности стабилизации скорости вращения.

На фиг.1 представлена блок-схема реверсивного вентильного электропри1О вода; на фиг.2-4 — варианты выполнения эадатчика скорости, датчика положения и источника переменного тока, на фиг.5 — принципиальная электрическая схема электропривода.

Реверсивный вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с постоянными магнитами на роторе 2 и двухфазными обмотками 3 и 4 якоря на статоре, одна из которьгх подключена к выходу усилителя 5 мощности, а другая — к выходу усилителя 6 мощности, и фазочувствительные выпрямители 7 и 8. На валу синхронной машины установлен датчик 9 положения, выполненный в виде вращающегося трансформатора с обмоткой 10 возбуждения и синусной и косинусной обмотки 11 и 12. Обмотка 10 возбуждения датчика

9 положения подключена к выходу задатчика 13 скорости, Электродвигатель снабжен двумя обмотками 14 и 15 срав— нения, фильтрами 16 и 17 нижних час-. тот и фильтрами 18 и 19 верхних частот. 35

Задатчик 13 скорости может быть выполнен в виде источника 20 переменного тока (фиг.2), источника 21 постоянного тока и сумматора 22, входы которого подключены к выходам источников 20 и 21, а выход сумматора образует выход задатчика скорости;

Кроме того, датчик ппложения может бьггь снабжен дополнительной об- 45 моткой 23 возбуждения (фиг,3), подключенной к выходу задатчика 13 скорости, образованному выходом источника 21 постоянного тока, при этом основная обмотка 10 возбуждения дат- 50 чика 9 положения подключена к выходу задатчика скорости, образованному выходом источника 20 переменного тока.

В качестве сумматора 22 может быть 55 использован суммирующий операционный усилитель или сумматор на резисторах.

Источник 20 переменного тока (фиг.4) может быть выполнен, например, в виде потенциометра 24, запитанного постоянным напряжением

Средняя точка потенциометра 24 подключена к общей шине 25, а движок соединен с входами операционного усилителя 26 с единичным коэффициентом усиления, неинвертирующий вход которого соединен также с общей шиной 25 через ключ, выполненный на транзисторе 27, На базу транзистора

27 через резистор 28 подается опорное напряжение U, В качестве опорного напряжения U может быть использовано напряжение сети переменного тока, например 400 Гц или другое, специально сформированное напряжение переменного тока прямоугольной или синусоидальной формы, обеспечивающее коммутацию ключа на транзисторе 27, Выход операционного усилителя 26 соединен с обмоткой 10 возбуждения датчика 9 положения.

Кроме того, источник 20 переменного тока (фиг,4) может быть выполнен, например, в виде трансформатора ?9, на первичную обмотку которого подается опорное напряжение Uo„, а вторичная обмотка соединена с потенциометром 30, движок которого подключен к обмотке 10 возбуждения датчика 9 положения„ Средние точки трансформатора 29 и потенциометра

3Q соединены с общей шиной 25, Источник 21 постоянного тока (фиг.3) выполнен в виде потенциометра 31, запитанного постоянным напряжением Б,„„ Движок потенциометра соединен с дополнительной обмоткой 23 возбуждения датчика 9 положения.

Фазочувствительные выпрямители

7 и 8 (фиг.5) могут Сыть выполнены, например, на базе операционных усилителей 32 и 33 с единичным коэффициентом усиления, входы каждого из которых соединены соответственно с выходами фильтров 18 и 19 верхних частот, а неинвертирующие входы соединены с общей шиной 25 через ключи, выполненные на. транзисторах 34 и 35.

На базы транзисторов 34 и 35 подано опорное напряжение U „ через резисторы 36 и 37.

Выходы операционных усилителей

32 и 33 соединены с входами блоков

14 и 15 сравнения через фильтры нижних частот, выполненные, например, на резисторах 38 и 39 и конденсаторах 40 и 41. Могут также применяться

12971

LС-фильтры или филь ры высших порядков.

В фазочувствительных выпрямите— лях 7 и 8 (фиг.5) должно использо— ваться то же опорное напряжение, что 5 используется в источнике 20 переменного напряжения (фиг.3 и 4), либо эти напряжения должны быть строго синхронизированы по частоте и фазе.

Первый 14 и второй 15 блоки сравнения (фиг,5) могут быть выполнены на операционных усилителях 42 и 43, неинвентирующие входы которых соединены соответственно с выходами фазочувствительных выпрямителей 7 и 8, а инвертирующие входы подключены соответственно к выходам фильтров

16 и 17 нижних частот.

В качестве блоков 14 и 15 сравнения могут также использоваться и усилители 5 и б мощности, в случае если входной каскад этих усилителей выполнен на операционных усилителях, имеющих инвертирующий и неинвертирующий входы.

Фильтры 16 и 17 нижних частот могут быть выполнены, например, в виде пассивных фильтров на резисторах

44 и 45 и конденсаторах 46 и 47. Иогут быть также использованы LC-фильтры, многозвенные фильтры высших IIo рядков или активные фильтры нижних частот. Для увеличения коэффициента передачи фильтров последовательно с ними могут быть включены операционные усилители °

Фильтры 18 и 19 верхних частот (фиг.5) выполнены, например, в виде трансформаторов 48 и 49. Могут быть использованы также разделительные конденсаторы или любые активные фильтры верхних частот.

Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим образом.

При подаче напряжений U< и У по-, стоянного тока (фиг,3 и 4) и напряжения Б,„ переменного тока

Б =A sincat (1) где И вЂ” частота опорного напряжения, источник 20 переменного тока формирует напряжение уставки скорости

U20 Л зinut (2)

Б источнике 20 переменного тока (фиг,4) это напряжение формируется модулятором на операционном усилителе 26, либо снимается с вторичной обмотки трансформатора 29 (фиг.4).

86 4

Напряжение (2) уставки скорости создает в обмотке 10 возбуждения датчика 9 положения (фиг.2 и 3) ток

I «r)

= (4о,.1 A à lo / Г. Ь

Э (3), где Ь вЂ” индуктивность обмотки 10 возбуждения.

Последнее выражение справедливо, если пренебречь активным сопротивлением обмотки 10 возбуждения датчика

9 положения, что обычно выполняется в датчиках положения моментных вентильных электродвигателях при достаточно высокой частоте И опорного напряжения.

Напряжение U источника 21 постоянного тока создает в обмотке 12 возбуждения постоянный ток I<, рав2t ныи (4) где R — активное сопротивление обмотки 10 возбуждения (при выполнении задат-.ика 13 скорости по фиг.2) или обмотки

23 возбуждения (при выполнении задатчика 13 скорости по фиг.3).

Потокосцепление синусной и косинусной обмоток 11 и 12 вращающегося трансформатора (фиг.3) определяется токами первичных обмоток 10 и

23 в соответствии с выражениями

g« =K„(I + I/sin(mq+8)

Х„=К(Х„+ I„)cps(mt + }; (5) где с — угол поворота ротора;

m — число пар полюсов (число электрической редукции) вра-. щающегося трансформатора,  — пространственный сдвиг фаз1

К„- коэффициент, определяемый схемой намотки, геометрическими размерами и характеристиками магнитопровода вращающегося трансформатора.

В дальнейшем будем считать пространственный сдвиг фаз 8 =О, что достигается начальным разворотом статора вращающегося трансформатора.

По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в синусной и косинусной обмотках 11 и 12, равна

Е (6)

dt

Предполагая достаточно большую величину сопротивления нагрузки (режим холостого хода), получим напряжение на выходе синусной обмотки 11

129718

U =Š=- — - =-(— + — — )=

d(() dg(d(PI(Й(<(dt dt dq dt

«(dVI< d V«) (7)

dt dq 5

ЙЧ где и = . — частота (скорость) враdt щения ротора 2, Выражение (7) получено в соответствии с правилом дифференцирования сложной функции, Подставляя в (?) выражение (5), получим после преобразований ((I 1 И и« =.и«+И«и„„,+0<„„,, +U, rye U „(,} =Кд А о s inst sinm (g - синфазная высокочастотная составляющая, (9)

1 III

U«(„} =КаА Z((cosutcosm(I — кваДРатурная высокочастотная составляющая, (10)

11 ((U(< =K U < Д, cosm g — низкочастотная составляющая (1 1)

KM K(((Км и м К м а У, а R а 1ь) (12)

Синфазная (9) и квадра )(урная (10) составляющие определяются относительно фазы опорного напряжения U

Аналогично можно получить выражение для напряжения на выходе косинус- 30 ной обмотки 12:

I (II

U(= (}<г(с) + U ю(к) + U<, (13)

rye Уи(с} =K A 0 sinatcosmq; (14)

UI «) =Кд A, cosntcosmq ; (15)

U

Для нормальной работы вентильного электродвигателя частота опорного напряжения выбирается гораздо больше частоты вращения синхронного двигателя 1 (обычно на два порядка) 40 (.)» Й.

Так м образом, высокочастотные составляющие (9), (10), (14), (15) и низкочастотные составляющие (11), (16) синусных и косинусных обмоток 45

11 и 12 могут быть легко разделены фильтрами вер.<них 18 и 19 и нижних

16 и 17 частот (фиг.1 и 5), на выходах которых получим напряжения

UÄ =K U«, U< =К П,,, (17) 50

U« = н (р) П«, U<> =1 н (р»1„",, (18) где К вЂ” коэффициент передачи фильтров 18 и 19 верхних частот

N„(p)-передаточная функция фильт- 55 ров 16 и 17 нижних частот.

Фаэочувствительные выпрямители 7 и 8 (фиг.1 и 5) выделяют огибающие

В блоках 14 и 15 сравнения иэ этих напряжений вычитаются напряжения U д и U<, выделенные фильтрами

16 и 17 нижних частот. Полученные сигналы рассогласования после усиления в усилителях 5,и 6 мощности поступают на фазные обмотки 3 и 4 синхронного двигателя 1 в виде фазных напряжений:

Uq=K>K<(Uq-U((; ) =A(I,sinmq", (21)

Us =I<„K (U„— U,7 ) =А,„соэтпд, (22) где А,})=КнК (Т<},р(р)КвК А „-МН(p)Ks Uq()к) — амплитуда фазных напряжений, К вЂ” коэффициент усиления уси1 лителей 5 и 6 мощности, К вЂ” коэффициент, передачи блоЕ ков f4 и 15 сравнения.

В сОответствии с принципом действия вентильного электродвигателя эти напряжения образуют в расточке статора синхронной машины 1 вращающееся магнитное поле, которое создает вращающий момент двигателя, приводящий ротор 2 во вращение с частотой, пропорциональной амплитуде фазных напряжений U и 0 . Следовательно, =Кп 1 (р) в А о ос (p)(j( (23) где К вЂ” коэффициент, определяемый конструктивными параметрами синхронной машинь(1, Кп==Кв K>К E (ñ (р)=I í(p)Kа U« (24)

Решая уравнение (23) относительно $2 получим

1 к.кк(И к,,ккк.

1+К„ ., <,р) ((ос (p) пр ю (25) ир(р) где- 1 п(Р) — 1,} () КвКа ас

Для нормальной работы устройства необходимо выполнение следующих условий:

6 6 синфаэных сигналов (9), (14) на выходах фильтров 18 и 19 верхних частот и подавляют квадратурные составляющие сигналов (10), (15)

Цт 1("(Р(р)Кв Ка А оз1пш(Р > (}ц = (p)Кв Ка (««»

7 12971

К,=/К„Ы„ (р)/ » 1, (26) аг8И (р)=аг@М, (р), (27) где К вЂ” глубина обратной связи по скорости.

Первое условие (26) означает, что 5 глубина обратной связи по скорости двигателя выбирается достаточно большой. Это достигается, например, подбором коэффициента усиления К уси1 лителей 5 и 6 мощности, а также регулировкой напряжения Б,< постоянного тока, выполняемой потенциометром

31 (фиг. 3).

Второе условие требует равенства фазочастотных характеристик фильтров

16 и 17 нижних частот и фазочувствительных выпрямителей 7 и 8, что достигается выбором параметров фильтров .16 и 17 нижних частот, либо RC-фильтров на элементах 38-41, входящих в состав фазочувствительных выпрямителей 7 и 8 (фиг.5).

Тогда при выполнении условий (26) и (27) выражение (25) примет вид а= К,А, (28) где К = M<(p)/ + — — — /К К (29) ос

Таким образом, предлагаемое устройство поддерживает скорость ревер- 30 сивного вентильного электродвигателя пропорционально амплитуде А о напряжения переменного тока на обмотке 10 возбуждения датчика 9 положения, т.е. напряжения уставки скорости.

При этом плавное изменение скорости вентильного электродвигателя и его реверс осуществляются, например, потенциометром 24 (фиг.3) или потенциометром 30 (фиг.4). 40

Положительный технический эффект от применения предлагаемого изобретения заключается в повышении точности стабилизации скорости (частоты) вращения электРодвигателя путем 45 введения отрицательной обратной связи по частоте вращения.

В процессе эксплуатации изменение момента нагрузки, температуры окружающей среды или других возмущающих 5р факторов приводит к изменению коэффициентов передачи двигателя К или усилителей мощности К, вызывающих в соответствии с (24) изменение коэффициента К„ на величину ьК„. 55

При наличии отрицательной обратной связи с глубиной К относительное изменение частоты вращения 5 q,, как следует иэ (25). будет в К раз

86 меньше b n =9K„/К где 8 K„дК„/К

Таким образом повышение точности стабилизации частоты вращения достигается в устройстве также за счет уменьшения влияния изменения параметров вращающегося трансформатора за счет исключения ошибки, вызванной изменением размеров и характеристик магнитопровода, так как эти изменения влияют в одинаковой степени на прямой канал и канал обратной связи.

Формула изобретения

1. Реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря на статоре, датчик положения выполненный в виде вращающегося трансформатора с обмоткой возбуждения, синусной и косинусной обмотками, механически соединенный с ротором синхронной машины, задатчик скорости, выходом связанный с обмоткой возбуждения датчика положения, два фазочувствительных выпрямителя, два усилителя мощности, выход каждого из которых подключен к соответствующей фазной обмотке якоря синхронной машины, о тличающийся тем,,что, сцелью повьппения точности стабилизации скорости вращения, в него введены два блока сравнения, каждый из которых по первому входу и выходу включен между соответствующим фазочувствительным выпрямителем и усилителем мощности, два фильтра верхних частот, один из которых включен между синусной обмоткой датчика положения и первым фазочувствительным выпрямителем, а другой — между косинусной обмоткой датчика положения и другим фазочувствительным выпрямит лем, и два фильтра нижних частот, вход первого из которых подключен к синусной обмотке датчика положения, выход соединен с вторым входом второго блока сравнения, вход второго фильтра нижних частот подключен к косинусной обмотке датчика положения, а выход соединен с вторым входом первого блока сравнения.

2. Электродвигатель по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что задатчик скорости выполнен в виде источника переменного тока, источника. по1297186.

10 стоянного тока и сумматора, два входа которого соединены с выходами указанных источников, а выход сумматора образует выход задатчика скорости.

3. Электродвигатель по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что датчик положения снабжен дополнительной обмоткой возбуждения, а задатчик скорости выполнен в виде источника переменного тока, выход которого является первым выходом задатчика скорости, и источника постоянного тока, выход котсрого образует второй выход задатчика скорости и подключен к до1 полнительной обмотке возбуждения датчика положения.

1297186

Редактор Ю.Середа

Заказ 792/59

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4

1 с

34 b 1

Составитель А.Головченко

Техред Л.Сердюкова Корректор Л. Патай

Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий!

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5