Способ управления вентильным электродвигателем

 

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение быстродействия вентильного электродвигателя. Это достигается путем формирования тока в фазах двигателя на равных угловых интервалах по синусоидальным законам в функции углового положения ротора, задания длительности угловых интервалов, формирования тока на каждом угловом интервале с заданной амплитудой и фазой. Увеличиваются действующее значение тока, электромагнитный момент и, следовательно, быстродействие вентильного электродвигателя. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4163469/24-07 (22) 19.12.86 (46) 23,07.89 Бюл. М- 27 (71) Красноярский политехнический институт (72) С,Ф.Другов, В,И.Пантелеев и Б,П.Соустин (53) 621.313,13,014,2:621,382(088,8) (56) Бродовский В.И., Иванов Е,С, Приводы с частотно-токовым управлением, — М.: Энергия, с.20-37, 133, 134.

Авторское свидетельство СССР

У 700930, кл. Н 02 К 29/00, 1979. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах автоматического управления, в частности в низкоскоростных следящих системах с моментными двигателями.

Цель изобретения - повьппение быстродействия электродвигателя путем увеличения величины электромагнитного .момента.

На фиг,1 изображены осциллограммы токов в фазах якорной обмотки трехфазного двигателя в функции угла поворота ротора; на фиг,2 - вектора намагничивающих сил якорной обмотки; на фиг.3 и 4 — осциллограммы тока одной фазы пятифаэного двигателя для первого и второго варианта закона из менения тока соответственно, на фиг.5функциональная схема электропрнвода, ..SU„„1495943 А 1 g 4 Н 02 К 29/00, Н 02 P 8/00

2 (57) Изобретение относится к электро" технике. Целью изобретения является повышение быстродействия вентильного электродвигателя. Это достигается в способе путем формирования тока в фа, зах двигателя на равных угловых интервалах IIQ синусоидальным законам в функции углового положения ротора, задания длительности угловых интервалов, формирования тока на каждом угловом интервале с заданной амплитудой и фазой. Увеличиваются действующее значение тока, электромагнитный момент и, следовательно, быстродействие вентильного электродвигателя. 5 ил. реализующего предлагаемый способ управления.

Электропривод (фиг,Ясодержит вентильный электродвигатель 1, на валу которого установлен датчик.2 положения, у которого обмотки возбуждения соединены с выходом модулятора 3 на вход которого подается сигнал управления Н, а вторичные обмотки через фазочувствительные выпрямители 4-6 соответственно соединены с первыми входами блоков 7-9 коммутации и сумматоров 10-12, а также с входами пороговых элементов 13-15. Последние соединены выходами с первым, вторым и третьим входами логического элемента ИЛИ 16,у которой выход подключен к управляющим входам блоков 7-9 коммутации, вторые входы которых соединены с выходами сумматоров 10-12.

1495943

Последние соединены своими вторыми входами с выходами инвертирующих блоков 17-19,входы которых подключены соответственно к выходам фазочувствительных выпрямителей 5,6,4, Выходы блоков 7-9 коммутации соединены с ,входами усилителей 20-22 тока, подклю;ченных к фазам двигателя

Способ осуществляют следующим обра- 10 зом, Токи в фазах двигателя 1 форми руются при помощи усилителей 20-22 тока, связанных входами с выходами соответствующих блоков 7-9 коммутации15 причем закон изменения тока для каж,дой фазы задается выходным сигналом соответствующего блока коммутации, При вращении ротора двигателя 1 напряжения на выходах фазочувстви- 20 тельных выпрямителей 4-6 изменяются по синусоидальному закону, причем эти . синусоиды сдвинуты по фазе друг отно;сительно друга на угол 2o/3 (им соот,ветствуют синусоиды с фазовым сдвигом 25

: ч = Т(I3, 9 — Я/3 и g = — 5, фиг,1), Эти синусоидальные сигналы являются исходными для получения требуемых ! законов изменения тока на каждом из шести угловых интервалов. При этом 30 .длительность угловых интервалов контролируется пороговыми элементами 13-15, связанными выходами с входами ,логического элемента ИЛИ 16, Каждый ! из пороговых элементов выдает импульс 35

; при переходе через ноль выходной синусоиды связанного с ним фазочувствительного выпрямителя.

Таки Образом, по окончании каждого угла;:Ого интергала длительност 40

Г/3 на выходе логического элемента ИЛИ l6 появляется импульс, поступающий на управляющие входы блока

7-9 коммутации, При этом выход каждого иэ блоков коммутируется к Одно 4 му из трех его входов, па которые подаются синусоидальные сиг :- ni требуемой амплитуды и фазы. Для получения требуемых синусоидальных сигналов выходные сигналы фазоЧувствитель- ных выпрямителей 4-6 подаются на первые входы блоков 7-9 коммутации, на первые входы сумматоров 10-12, а также на входы инвертирующих блоков

19-18, с вь хода которых инвертирован- >5 ные сигналы (фиг.1, синусоиды с

<р = -26/3, Щ,= -4 У/3 и ip =О) поступают на третьи входы соответственно блоков 9,7 и 8 коммутации, на вторые вхоцы сумматоров 12,10 и 11, где происходит сложение этих сигналов с выходными сигналами фазочувствительных выпрямителей 6,4,5 и результирую-. щие сигналы синусоиды с Ц =-5 7 /6, ц = jj/2 и q- Г/6 фиг.1) подаются со-. ответственно на вторые входы блоков 9,7 и 8 коммутации, При поступлении на управляющие вхо,цы блоков 7-9 коммутации импульсов с выхода логического элемента ИЛИ 16 в каждом из этих блоков происходит поочередное подключение входной шины связанного с ним усилителя тока к каждой из трех входных шин блока коммутации. Причем в любой момент време« ни входные шины усилителей 20-22 тока подключены к различным входам блоков 7-9 коммутации, Например, если на первом угловом интервале (с =0- Й/3) вход усилителя 10 подключен к первому входу блока 7, то вход усилителя

21 подключен к второму входу блока 8, а вход усилителя 22 - к третьему входу блока 9 ° В результате на входе усилителя 20 имеется синусоидальный сигнал, с фазовым сдвигом р (фиг. 1), t на входе усилителя 21 синусоидальный сигнал с фазовым сдвигом <р, а на

В входе усилителя 22 - сигнал с

По окончании первого интервала

/(/3, после прохода импульса с выхода схемы ИЛИ 16, на втором интервале усилитель 20 подключен к второму входу блока 7, усилителья 21 к третьему входу блока 8, а усилитель 22 — к первому входу блока 9.

В этом случае закон изменения сигнала на входе усилителя 20 соответствует синусоиде с,на входе усилителя 21 — синусоида с (, а на входе усилителя 22 - синусоида с уз. Вдальз нейшем коммутация происходит аналогичным образом.

Таким образом формируются входные (задающие) сигналы усилителя 20-22 тока. В соответствии с этими сигналами на каждом угловом интервале усилителя 20-22 тока формируют в фазах двигателя ток по закону, определяемому способом управления. Этим обеспечивается равномерное вращение результирующего вектора намагничивающей силы (н.с.) в функции углового положения ротора, при этом угол между продольной осью ротора и результирующим вектором н,с, определяется установкой датчика положения на валу двигателя.

Величина момента, развиваемого двигателем, регулируется в пределах рабочей зоны значением управляющего сигнала Бу, поступающего на вход модулятора 3. Этот сигнал задает амплитуду выходных синусоид фазочувствительных выпрямителей 4-6, а следовательно, амплитуды синусоидальных аигналов, используемых для формирования 10 требуемых законов изменения фазных токов и, соответственно, величину результирующего вектора н,с,, при этом, поскольку в фазах двигателя формируются токи по новым законам, соот- )5 ветствующим предлагаемому способу управления, для любых значений уп,равляющего сигнала величина результирующего вектора н.с. двигателя вьппе, чем в известных системах частотнотокового управления.

Рассмотрим возможность повышения величины электромагнитного момента на примере трехфазного двигателя с обмотками а, в и с (фиг.2) при сохра-25 нении равномерного вращения поля.Вариант закона изменения токов в трехфазном двигателе может быть только

1 = 1, так как для нечетного числа фаэ m 1. = 1,2,3..., c. m-1/2. Предпо- 30 ложим, что ток в фазе С отсутствует, а в фазах а и в протекают разнополярные токи, соответствующие задан ным амплитудным значениям. Распределение намагничивающих сил соответствует векторам ОА и ОВ. Результирующий вектор OR равен геометрической сумме векторов OA и ОВ. Если принять абсолютные значения векторов OA и ОВ,равными 1, т.е, lÎA l= 4О

=lOa l= 1, !

Ок1= 2 cos Г/6 =1ГЗ = 1,732 (1)

Рассмотрим ортогональную систему координат d, е и примем в качестве составляющих вектора ÎR векторы OR 45 и ОС, которые для равномерного переI мещения вектора ÎR на угловом интервале (- fi/3,0) должны изменяться по закону ! OR!= ГЗ cos (о(+ 7Г/6 ); (2)

I ОС 1= ГЗ s in (4 + 7(/6 ), но тогда !

OR! ОА! =!ОВ l = — — — — = cos(g+ « /6). (3) 55

2co s fl /6, Таким образом, для обеспечения равномерного вращения реэультирующе(4) i = A cos (с(+ 7(/6), — А cos (eC + fl/6), i = - ГЗА sin (< + й/6), где 1, i» i — мгновенные значения токов 3

А — заданное амплитудное значение токов.

В точке о = 0 векторы OA OB и. ОС имеют одинаковые значения

I0Al =!ОВ1= (ОСl = 43/2 р (5) а вектор OR совпадает с осью а. На следующем интервале (О, 7(/3) система ортогональных координат образуется фазами а и с, результирующий вектор которих (геометрическая сумма векто ров OA и ОС) служит первой составляю- . щей вектора ÎR и фазов Ь, образующей вторую составляющую (вектор OB).

В этом случае точки изменяются следующим образом (6) i = А cos (o(— /(/6);

=f3 А sin (aC — П/6);

Ь

ic = -A cos (a — П/6), Аналогично для интервала (F(/3, 2 6/3) имеют

i =F3 А cosa

ig = А sino(; (7) i = -А sino(.

В дальнейшем, на следующих трех интервалах второго полупериода законы . изменения фаэных токов (4), (6),(7) повторяются. Таким образом, для обеспечения равномерного перемещения результирующего вектора OR с частотой вращения ы (a = ы t, где t — время) . необходимо в фазах статора на каждом полупериоде частоты вращения формировать токи на трех угловых интервалах длительностью Ti/3 по законам (4), (6), (7). Форма токов в фазах двигателя приведена на фиг,1.

При питании трехфазного моментного двигателя указанной системой токов результирующий вектор н.с. равномер943 6

Ф го вектора н.с, OR величина которого составляет 1,732 величины амплитудного значения, н.с. каждой фазы на интервале (- ф /3,0) необходимо изменять фазные точки по закону но вращается с частотой, соответствующей частоте вращения ротора днигателя. По отношению к традиционной системе синусоидальных токов величи5 на результирующего вектора н,с, увеличивается и составляет 1,732 амплитудного значения н.с ° фазной обмот,ки, в пределах рабочей зоны (линей, íûé участок кривой намагничивания 10

1 ,двигателя) соответственно увеличивает1 ,ся и электромагнитный момент, развива,.емый двигателем.

Аналогично описанному можно выде, лить системы ортогональных координат 15 и определить законы формирования фаз,ных токов для любого числа фаз m !.при m >3. При этом общее число фаз . двигателя m разбивается на две груп:,пы фаз, геометрические суммы некто- 20 ров н.с, которых на определенных уг:ловых интервалах являются составляю щими результирующего вектора н,с., :например для m=15 можно выделить варианты, при которых ортогональная 25 система может образоваться группами из 1 и 14, 2 и 13, 3 и 12 и так далее фаз.

В общем случае, для создания равномерно вращающегося поля в m-фазном 30 двигателе, необходимо создать m-фазную систему токов, сдвинутых по фазе друг относительно друга на угол 2 и /m.. задать длительность угловых интервалов =.7«1/m,где 1 — номер варианта закона из-35 менения тока, соответствующего варианту образования ортогональной системы координат, который может принимать значения 1=-2,4,6..., (m-2/2 для четного числа фаз и 1=1,2,3,..., (m-2/2 10 для нечетного числа фаэ двигателя, в каждой фазе на нервом угловом интервале каждого периода частоты вращения формировать ток по закону

i " А,sit (cC +efz), где А,= А ctg7«1/2m 45

А — заданное значение амплитуды токао(„ = — y/2, по окончании первого (1) углового интервала на следующих (и-1) угловых интервалах формировать ток по закону i 11= А яiп (+ a > ), где а „ = о(",, (2 j -1-Р/2), j =2, 3, 4..., и (j — номер углового интервала), P=2m/1 — общее число интервалов на периоде, может принимать только целые значения, причем n=P+1/2, если m не является кратным 1, и п=Р/2, если m кратное 1, по окончании п-го интервала на следующем (и+1) угловом интервале формировать ток по закону

1495943 8 — А „sin (о(+а(" 3, где a <" = д(п1 у х (3-2/2n-Р+1) по окончании (и+1)-го углового интервала на последующих (р-и-1) угловых интервалах формировать ток по закону i 1= А sin(ot + (9h (kl (Ц .н ) > где 4 „=4 „2 ((k-n)-2/2п-P+1—

-Р/2+13, k=n+2, п+3, n+4,...,P.

Например, для m--5 возможны два варианта образования ортогональной системы координат 1=1,2. Лля 1=1 длительность угловых интервалов составляет у= Я/5, Тогда 4 „ = — 17/10.Если, например, А=1А, то А,= ctg 7(/10 =

3,078А. В этом случае закон изменения тока на первом угловом интервале имеет вид Р= 3,078 sin(о — (7/10).

Общее число интервалов на периоде

Р=10, m является кратным 1, поэтому и = Р/2 = 5. Следовательно, на следующих четырех интервалах ток должен изменяться по законам i = з п(Ы+«/5), sink i = sin(d — У/5)

° (Я (g

° (У

Э вЂ” sin(2 -2 fij 5),На шестом угловом интервале закон изменения тока аналогичен закону на первом интервале, а на последующих четырех интервалах законы изменения токов соответствуют законам на интервалах 2,3,4,5, т,е, в данном случае на втором полупериоде законы изменения токов повторяются. Форма фазного тока для этого варианта приведена на фиг.3.

Для второго варианта 1=2 имеют ч = 2 ((/5, А = ctg «/5 = 1,376А, P=5, поскольку в данном случае m не кратно 1, то n = Р+1/2 = 3, на первом интервале i = =1,376 Sin (Н- «/5), на следующих двух интервалах

sin (,(— Г/10), Р— sin" (с(- З/2), на четвертом интервале i 1= 1,376 х

x sin (g(- 2lt/5),на последнем интервале (так как р-n-I=I) iи"- sin (d-3«/10).

Форма тока для этого случая приведена на фиг.4.

Для первого варианта (1 1) результирующий вектор составляет 3,078, а для второго (1=2)-2,618 амплитудного значения фазной н.с. По сравнению с традиционной системой гармонических токов (при которой это значение. равно 2,5) величина результирующего вектора н.с., а следовательно, и электромагнитный момент двигателя увеличивается, что приводит к увеличению быстродействия.

Аналогично определяются законы формирования тока и приращение элект1495943 ромагнитного момента для различных вариантов при других значениях m.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволяет повысить быстродействие электродвигателя путем увеличения электромагнитного момента, обеспечить лучшее использование меди статорной обмотки и активного объема двигателя, так как, например, при заданной амплитуде фазного тока без изменения величины электромагнитного момента двигателя может быть уменьшено число витков фазных обмоток статора. Это позволяет уменьшить 15 объем статора, а в беззубцовых конструкциях и ротора двигателя, и тем самым улучшить весогабаритные показатели двигателя.

Формула изобретения

Способ управления вентильным электродвигателем, выполненным в виде m-фазной синхронной машины с гальванически не связанными фазами и механически связанной с датчиком положения ротора фазовращательного гипа, заключающийся в том, что в функции углового положения ротора на каждом периоде частоты вращения в фазах син- 30 хронной машины на равных угловых интервалах с длительностью б формируют ток по синусоидальным законам, контролируют длительность углового интервала и по его окончании изменяют параметры закона формирования тока, причем фазовый сдвиг токов друг относительно друга составляет 27i/m, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия электродвигателя, задают длительность угловых интервалов g = 1 1/m в каждой фазе на первом угловом интервале формируют указанный ток по закону

i А „sin ((М „ ), по окончании первого углового интервала на следующих (п-1 ) угловых интервалах формируют указанный ток по закону Ф= и!

= А sin (g +1 „), по окончании и-го углового интервала на следующем (и+1 ) угловом интервале формируют указанный ток по закону i 1= А sin (a(+ o(„ $ по окончании (и+1 го углового ин- тервала на последующих (р-и-1 ) угловых-интервалах формируют указанный ток по закону (i " — А sin (o(+ d " ), где 1 - номер варианта закона изменения тока (1 = 2,4,6,... 4ш-2/2 для четного числа фаз и 1 = 1,2,3.. . <

4 ш-1/2 для нечетного числа фаз), А, = А ctp foal/m, А — заданное значение амплитуды тока, М вЂ” угол поворота ротора двигателя, о(н = -y/2, о(, =а(Я х х (2j — 1 — Р/2), j = 2,3,4„.,п (j — номер углового интервала), Р = 2m/1 †общее число интервалов на периоде, может принимать только целые значения, причем n = Р+1/2, если m не является кратным 1, и и = Р/2, если ш кратно 1, с(„" 1

1 (3 2/2п Р+ х(2 (k-n)-2/2п-P+1), k = п+2, п+3, и+4,...,P.! 495943! 495943

Составитель А,Иванов

Техред М.Ходанич Корректор М Максимишинец

Редактор M.Áëàíàð

Заказ 4283/54 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101