Датчик положения ротора электрической машины

 

Изобретение относится к электрои может быть использовано в вентильном электроприводе, системах управления элек-ррических машин, в вентильных двигателях и асинхронизированных синхронных машинах. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. В датчике используется выключатель 4 в цепи возбуждения машины. Введены генератор 7 высокой частоты, источник 8 опорного напряжения, одновибратор 9 . и выключатель 10 сброса. В каждз о фазу уведены полосовой фильтр 11, амплитудный демодулятор 12 тока, управляемый компаратор 13, компаратор 14, триггер 15 и элемент совпадения И 16. В каждой фазе статорной обмот- KW пропускается измерительный ток высокой частоты, который модулируется до амплитуде полюсной системой машины. Из этого тока наделяются модулирующие сигналы, которые преобразуются в. выходные сигналы датчика положения ротора. Датчик приводится в исходное положение соответствующее исходному положению ротора в момент включения, сигналом, наведенным в статорной оймотке, в момент включения возбуждения. 4 ил. с $ (Л ел 00 со 4 О tpuSi

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Н 02 К 29/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

H Д BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4167955/24-07 (22) 25 ° 12 ° 86 (46) 15.02.89. Бюл. В 6 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромашиностроения и Ереванский политехнический институт им. К.Маркса (72) И.Е.Овчинников, Ж.Д,Давидян, В,Н,Рябов и Е.А.Крутяков (53) 621. 313, 292 (088, 8) (56) Авторское свидетельство СССР .

9 921006,,кл. Н 02 P 1/5О, .1981 °

Авторское свидетельство СССР й" 392327, кл. Н 02 К 29/06, 1968, {54) ДАТЧИК ПОЛОМБНИЯ РОТОРА ЭЛЕК-

ТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ (57) Изорретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильном электроприводе, системах управления электрических машин, в вентильных двигателях и асинхронизированных синхронных машинах.. Целью изобретения является расширение функ„„SU„„1458946 А1 циональных возможностей. В датчике используется выключатель 4 в цепи возбуждения машины. Введены генератор 7 высокой частоты, источник 8 опорного напряжения, одновибратор 9 и выключатель 10 сброса. В каждую фазу, введены полосовой фильтр 11, амплитудный демодулятор 12 тока, управляемый компаратор 13, компаратор

14, триггер 15 и элемент совпадения

И 16. В каждой фазе статорной обмотки.пропускается измерительный ток высокой частоты, который модулируется по амплитуде полюсной системой машины. Из этого тока выделяются модулирующие сигналы, которые преобразуются в выходные сигналы датчика положения ротора. Датчик приводится в исходное положение соответствующее исходному положению ротора в момент включения, сигналом, наведенным в статорной обмотке, в момент включения возбуждения. 4 ил.

1458946

ЗО

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильном электроприводе, системах управления электрических машин, 5 в вентильных двигателях и асинхронизированных синхронных ..машинах.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей датчика положения ротора. 10

На фиг.1 приведена электрическаяструктурная схема датчика положения ротора элекТрической машины; на фиг.2 — временные диаграммы напряже= ний H токОВ В егО узлах на фигЗ временнйе диаграммы, поясняющие.работу определителя начального положения

Ротора на фиг.4 — принципиальная электрическая схема датчика.

В..качестве электрической машины рассматривается синхронный двигатель с бесщеточной системой возбуждения.

Машина содержит синхронный двигатель с обмоткой 1 якоря, обмоткой 2 индуктбра и асинхронный возбудитель, уста- 25 новленный на валу машины (фиг.1). Обмотка якоря двигателя соединена с источником переменного тока регулируемой частоты и напряжения, например с тиристорным преобразователем частоты. Фазы обмотки и источника обозначены А, В, С. Асинхронный возбудитель содержит статорную обмотку 3 возбуждения, которая соединена с источником переменного тока с напряже- 35 нием U> через выключатель 4 с нормально открытыми контактами, и ротор-ную обмотку 5 якоря, которая соеди- нена с роторной обмоткой 2 индуктора двигателя через .выпрямитель 6, уста- 4( новленный на роторе машины. Датчик положения ротора содержит выклюиатель

4 в цепи обмотки Возбуждения .возбудителя, генератор 7 высокой частоты, источник 8 опорного напряжения, одно- 45 вибратор 9, выключатель 10 сброса, а также в каждой фазе полосовой фильтр 11, амплитудный демодулятор 12 тока, управляемый компаратор 13, компаратрр 14, триггер 15 и элемент совпадения И 16.

На временных диаграммах фиг.2 изображены: U — измерительное напряжение высокой частоты, приложенноа к обмотке статора, sin g — угловое положение ротора, изображенное сину" соидальной функцией угла между осью полюса ротора и плоскостью эквивал лентного витка данной фазы обмотки статора Š— модулированный измерительный ток в цепи обмотки статора, I<> — выпрямленный модулированньФ ток в амплитудном демодуляторе, тока, U †напряжение на выходе амплитудного демодулятора тока; Uq> - сигналы на выходе управляемого компаратоРа, UI — напряжение на основном выходе триггера, соответствующее нахождению полюса положительной полярности в зоне полюсного деления данной фазы статора, U.I " напряжение на инверсном выходе триггера; соответствующее нахождению полюса отрицательной полярности в зоне полюсного деления данной фазы статора. Сигналы Н< и U g являются выходными сигналами датчика.

На диаграммах фиг.3 изображены: — напряжение возбуждения, приложенное к обмотке индуктора синхронной машины; на фиг.3б - угловое положение ротора, изображенное синусоидальной функцией угла между осью полюса ротора и плоскостью эквиваЛентного витка фазы обмотки статора, диаграмма изображает процесс разгона ротора от неподвижного состояния, Ug — импульс напряжения, наведенного в статорной обмотке при включении напряжения возбуждения, U — сигналы на выходе управляемого компаратора, которые подаются на счетный вход триггера; U« — напряжение на основном выходе триггера, соответствующее нахождению полюса положительной полярности в зоне полюсного деления данной фазы статора. Левая часть диаграммы соответствует тому исходному положению ротора, когда в зоне полюсного деления фазы статора находится полюс положительной полярности (О С ф 7I ), а правая часть - полюс отрицательной полярности (p g, f 8 2f), На фиг.4 изображены также трансформатор 17 и выключатель с нормально закрытым контактом 18 и нормально открытым контактом 19.

Датчик положения ротора работает следующим образом. Группа элементов ?, 8, 11, 12, 13, 15 предназначена для фиксирования моментов прохождения ротором нейтрали (или другого заданного положения) 58946

30

45

3 14 и вырабатывания соответствующих сиг" налов переключения и выходных сигналов. Группа элементов 9, 10, 14, 16 представляет собой определитель начального положения ротора, который предназначен для определения начального положения ротора, которое он занимает в момент включения датчика, и приведения датчика в соответствующее начальное положение.

Перед включением датчик положения ротора устанавливается в .исходное состояние, когда на инверсном выходе триггера 15 (на выходе датчика) устанавливается единица, а на основном выходе — нуль. Эта установка выполняется подачей на вход сброса триггера кратковременного установочного импульса. Установочный импульс подается посредством выключателя 10, который кратковременно включается, а затем отключается,до включения датчика в работу. Вместо выключателя 10 может быть использована кнопка для кратковременного нажатия, а также может быть предусмотрено автоматическое замыкание и размыкание контакта

10 перед включением датчика.

Сигналы переключения в соответ.ствии с положением ротора вырабатываются следующим образом. Измерительное напряжение высокой частоты (фиг.2а) от генератора 7 высокой частоты через соответствующие амплитудный демодулятор 12 тока и полосовой фильтр 11 прикладывается к фазе статорной обмотки 1 якоря синхронного двигателя. Это измерительное напряжение вызывает в цепи: генератор высокой частоты †.;амплитудный демодулятор тока — полосовой фильтр — обмотка якоря измерительный ток высокой частоты (фиг.2в), который модулирован по амплитуде полюсной системой машины в соответствии с положением ротора (фиг ° 2б). Минимальная амплитуда модулированного тока соответствует совпадению осей обмотки статора и полюса (соответственно на фиг.2б, Зб угол ф = Х/2, ЗГ/2), а максимальная амплитуда — сдвигу осей на электрический угол Ti/2 (у = О,Т, 2Y). Далее этот ток высокой частоты демодулируется в амплитудном демодуляторе 12 тока: сначала выпрямляется (фиг.2г), потом преобразуется в напряжение и сглаживается (фиг.2д). Для этого в демодуляторе в цепи тока имеется резистрр, параллельно которому подключен конденсатор; напряжение на конденсаторе представляет собой выходное напряжение демодулятора. Из демодулированного напряжения (фиг.2д) выделяются сигналы, опредезтяющие положение ротора. Для этого напряжение с выхода демодулятора подается на вход управ-» ляемого компаратора 13, где сравнива-. ется с напряжением источника .8 опорного напряжения, поданным на второй вход управляемого компаратора. В моменты времени, когда демодулированное напряжение превосходит управляющее опорное напряжение, на выходе управляемого компаратора вырабатывается сигнал {фиг.2д, е), который подается на вход триггера и переключает его в соответствии с положением ротора (фиг.2ж, и).

Как следует из диаграммы фиг.2, .если уровень управляющего напряжения

1 выбран примерно равным максимальному значению демодулированного напряжения, но несколько ниже, то переключающий сигнал приходится на моменты времени, соответствующие моменту прохождения нейтрали осью полюса. Иногда бывает необходимо, чтобы сигнал с выхода датчика положения ротора вырабатывался с некоторым опережением относительно момента прохождения нейтрали. В этих случаях уровень управляющего напряжения должен быть уменьшен относительно максимума демодулированного напряжения. Длительность сигнала на выходе компаратора (фиг.2е) больше, передний фронт этого сигнала смещается влево, в сторону опережения, и этим фронтом переключается триггер. Смещаются влево, в сторону опережения, и выходные сиг- налы датчика. Если необходимо выработать сигналы с отставанием от моментов прохождения нейтрали, то либо используются триггеры, переключающиеся задним фронтом импульса, поданным на его вход, либо сигнал с выхода компаратора (фиг.2е) сначала инвертируют, а потом подают на вход триггера. При этом момент переключения триггера соответствует заднему фронту сигнала U g . Момент переключения триггера и, следовательно, сдвиг выходных сигналов датчика может плавно регулироваться в широких пределах посредством изменения уровня опорного напряжения.

1458946

Определитель начального положения ротора работает следующим образом.

Начальное положение ротора определяется при включении возбуждения.

Пусть в этот момент времени в зоне полюсного деления фазы А статора находится полюс положительной полярности (левая часть фиг.З) ° В момент времени tq включения возбуждения ротор 1О неподвижен и занимает угловое положение g, (О фs I(), фиг.36). При включенйи возбуждения и подаче постоянного напряжения на обмотку индуктора (фиг.За} в обмотке статора ин- . 15 дуцируется импульс напряжения (фиг.Зв), который имеет крутой передний фронт и плавно спадающий задний фронт. Если угловое положение ротора . находится в пределах 0(с Т, то на- 2О чальная часть импульса положительна (левая часть фиг. 3), что используется для начальной установки датчика в исходное положение посредством элементов 9, 14, 16. Индуцированный в : 26 обмотке статора импульс подается на вход компаратора 14, где преобразу-. ется в прямоугольный импульс единичной амплитуды, который совпадает подлительности с положительной частью ЗО индуцированного импульса (фиг.3r).

Для этого уровень опорного напряжения в компараторе устанавливается близким к нулю в сторону положительного значения. В момент включения возбуждения посредством дополнительного блок-контакта выключателя 4 включается одновибратор 9, на выходе которого при этом возникает один прямоугольный импульс напряжения единич- 4О ной амплитуды и фиксированной длительности (фиг.Зд), Длительность этого импульса устанавливается меньше длительности импульса на выходе компаратора (фиг.Зг). Если ось полюса ротора в момент включения возбуждения находится в области углов 0 <3 + (стрелка .оси полюса ротора в верхней полуплоскости, фиг.36, слева), то импульсы на выходе компаратора (фиг.Зг) ВО и на выходе одновибратора (фиг.Зд) совпадают и при подаче на вход элемента совпадения И 16 вызывают Hà его выходе импульс (фиг.3е, слева), который, в свою очередь, при подаче на установочный вход триггера 15 перебрасывает последний в состояние, при котором на его основном выходе уста.навливается единица (фиг.Зи, слева).

Далее импульсами с выхода управляемо" го компаратора 13 (фиг.Зж), подаваемыми на счетный вход триггера 15, триггер последовательно перебрасывается иэ установленного положения в другое и обратно (фиг.Зи) °

Как следует из диаграммы в левой части фиг.З, сигнал (единица) на основном выходе триггера (фиг.Зи) соответствует угловому положению ротора

О ф 7, т.е. положительным эначени" ям функции sing. Если ось полюса ротора в момент включения. возбуждения находится в области углов // ф z 27/ (стрелка оси полюса в нижней полуплоскости; фиг.36, справа), например, в момент включения tg ротор неподвижен и занимает угловое положение ф то начальная часть индуцированного импульса отрицательна (фиг.Зв). При этом сигнал на выходе компаратора 14 (фиг.Зг, справа) возникает от спадающей части импульса, которая переходит в область положительных значений. В этом случае сигнал с выхода компаратора Uq не совпадает с сигналом с выхода одновибратора Ug (так как длительность сигнала Пз меньше начальной части индуцированного импульса). Следовательно не создается импульс на выходе элемента совпадения и триггер остается в положении, установленном до включения датчика, когда единица установлена на инверсном выходе триггера, т,е..когда на его основном выходе отсутствует сигнал (имеется нуль, фиг.Зи, еправа). Далее аналогичным образом импульсами с выхода компаратора 13 происходит переключение триггера. Как следует из диаграммы в правой .части фиг.З, и в этом случае сигнал (единица) на основном выходе триггера (фиг.Зи} соответствует угловому положению ротора O g l3, т.е. положительным значениям функции sin(i.

Трансформатор 17 предназначен для согласования уровня напряжения импульса, наводимого при включении возбуждения, с входным напряжением схемы. Нормально закрытый 18 и нормально открытый 19 контакты являются контактами дополнительного выключателя, который выполняет следующую функцию.

В начальный момент при включении нап- ряжения возбуждения определитель по» ложения ротора должен быть включен.

Поэтому цепь определителя замкнута

7 145894б нормально замкнутым контактом 18.

После включения возбуждения ротора и установки датчика в исходное начальное положение выключатель должен переключиться и отключить схему опре- ш делителя от обмотки статора. После к этого. на обмотку статора может быть м подано напряжение от источника пита- . и ния. За счет этого исключается воз- 10 б можность попадания относительно высо- к кого рабочего напряжения статора на к низковольтную электронную схему опре- е делителя. Схема переключения должна р включаться в работу после онределе- 15 о ния начального положения ротора и щ установки датчика в исходное положе- р ние. Это выполняется переключением о контактов выключателя: нормально за- т крытый контакт 18 размыкается, а нор- 20 т мально открытый контакт 19 замыкает- т ся. Переключение может быть выполне- л но автоматически непосредственно пос- т ле включения возбуждения выключате- н лем 4. 25 с

Реализация устройства дает возможность управлять синхронной машиной в режиме вентильного двигателя или асинхронизированной синхронной машины, в том числе с бесщеточными системами возбуждения, беэ использова- . ния специальных датчиков положения. ротора и без изменения конструкции машины для установки датчика положения ротора.

Формула изобретения Датчик положения ротора электрической машины с электромагнитным возбуждением, содержащий генератор новы енной частоты, выход которого подлючен параллеЛьно каждой иэ фаз оботки якоря через соответствующий змерительный канал, включающий в сея полосовой фильтр и управляемый омпаратор, измеритель тока ° выход оторого соединен с входом управлямого компаратора, второй вход котоого соединен с выходом источника порного напряжения, о т л и.ч а юи и с я тем, что, с целью расшиения функциональных возможностей, н снабжен одновибратором, выключаелем возбуждения с нормально открыым блок-контактом, каждый иэмериельный канал снабжен компаратором, огическим элементом И и выходным риггером, в каждом измерительном каале выход управляемого компаратора оединен со счетным входом триггера, установочный вход триггера соединен с выходом элемента И, один вход элемента И соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с обмоткой якоря, другой вход элемента И соединен с выходом одновибратора, вход которого через нормально открытый блок-контакт выключателя возбуждения соединен с источником питания, а вход сброса каждого триггера соединен с выключателем сброса.

145S946

1458946

Составитель А.Санталов

Техред Л.Сердюкова Корректор Н.Король

Редактор И.Рыбченко

Заказ 376/57 Тираж 645 Подписное. 1

НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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