Вентильный электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесконтактных моментных приводах. Целью изобретения является упрощение и снижение аппаратурных затрат. Для достижения цели вентильный электропривод содержит вентильный электродвигатель, включающий двухфазную синхронную машину, датчик положения ротора с обмоткой возбуждения и выходными синусной и косинусной обмотками . Вход вентильного электродвигателя подключен к зздатчику частоты вращения через предварительный усилитель. Датчик обратной связи по частоте вращения и фазочувствительный выпрямитель выполнены на базе вычислителей 18 и 19, включающих каждый четыре устройства 23-26 выборкихранения, трехвходового сумматора 22 и двух фильтров 20 и 21. Напряжение на обмотках синхронной машины 1 обеспечивает частоту вращения поля в расточке статора, пропорциональную заданной задатчиком 13 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 P 6/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (Qh

Сд ос

GO (21) 4496701/07 (22) 21.10.88 (46) 28.02.91. Бюл, М 8 (72) P.È. Чайковский, Э.3. Тимощук, В.Е. Говенко, М.С. Музыка и M.Е. Панчак (53) 62-83:621.313.333(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hL 1297186, кл. Н 02 К 29/06, 1987.

Авторское свидетельство СССР

Ьй 1319221, кл. Н 02 К 29/06, 1987. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в бесконтактных моментных приводах. Целью изобретения является упрощение и снижение аппаратурных затрат. Для достижения цели вентильный злектропривод содержит

„„5Q 1631688 Al вентильный электродвигатель, включающий двухфазную синхронную машину, датчик положения ротора с обмоткой возбуждения и выходными синусной и косинусной обмотками. Вход вентильного электродвигателя подключен к задатчику частоты вращения через предварительный усилитель. Датчик обратной связи по частоте вращения и фазочувствительный выпрямитель выполнены на базе вычислителей 18 и 19, включающих каждый четыре устройства 23 — 26 выборкихранения, трехвходового сумматора 22 и двух фильтров 20 и 21. Напряжение на обмотках синхронной машины 1 обеспечивает частоту вращения поля в расточке статора, пропорциональную заданной задатчиком 13.

2 ил.

25

Изобретение относится к электротехнике v; может быть использовано в.бесконтактных моментных приводах, Цель изобретения — упрощение и снижение аппаратурных затрат.

На фиг. 1 показана функциональная схема вентильного электропривода; на фиг, 2 — напряжения на выходах функциональных узлов вентлльного электропривода, Вентильный электропривод содержит вентил ьн ый электродвигатель, вкл ючающий двухфазную синхронную машину 1 (фиг. 1), г1ервый.2 и второй 3 блоки умножения, первые входы которых объединены и являются входом 4 вентильного электродвигателя, первый 5 и второй 6 усилители мощности, выходы которь .х подключены соответственно к синусной и косинусной фазам обмотки якоря синхронной машины

1, датчик 7 положения с обмоткой 8 возбуждения, синусной 9 и косинусной 10 выходными обмотками, установленный на валу ротора синхронной машины 1, источник 11 напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой 8 возбуждения датчика 7 положения, формирователь 12 опорного напряжения, входом соединенного с входом источника 11 напряжения возбуждения, Злектропривод содержит также последовательно соединенные между собой задатчик 13 частоты вращения, предварительный усилитель 14, выходом подключенный к входу вентильного электродвигателя, Дополнительно вентильный электродвигатель электропривода содержит первый 15 и второй 16 алгебраические сумматоры, суммирующими входами подключенные соответственно к выходам первого 2 и второго

3 умножителей, а выходами — к входам первого 5 и второго 6 усилителей мощности, второй формирователь 17 опорного напряжения, вход которого соединен с выходом источника 11 напряжения возбуждения, первый 18 и второй 19 аналого-дискретные вычислители, каждый иэ которых содержит два фильтра 20, 21, трехвходовой сумматор 22, реализующий функцию

Y =- — — Х1+ — Х2 — — ХЗ

4 3

Т где Х1, Х2, Хз, Y — напряжения соответственно на первом, втором и третьем входах и выходе сумматора;

Т вЂ” период напряжения возбуждения, и четыре устройства 23-26 выборки-хранения. Аналоговые входы первого 23 и второго

24 устройств выборки-хранения соединены между собой и являются аналоговым входом, управляющие входы первого 23 и четвертого 26 устройств выборки-хранения соединены между собой и являются первым управляющим входом, а соединенные между собой управляющие входы второго 24 и третьего 25 устройств выборки-хранения являются вторым управляющим входом аналоro-дискретного вычислителя 18 (19). Выход первого 23 устройства выборки-хранения соединен с аналоговым входом третьего 25 устройства выборки-хранения и с первым входом трехвходового сумматора 22, выход второго устройства 24 выборки-хранения соединен с вторым входом трехвходового сумматора 22, выход третьего устройства 25 выборки-хранения соединен с третьим входом трехвходового сумматора 22 и первым фильтром 20, выход которого является пропорциональным выходом аналого-дискретного вычислителя 18 (19), выход трехвходового сумматора 22 соединен с аналоговым входом четвертого устройства

26 выборки-хранения, выходом соединенного с вторым фильтром 21, выход которого является дифференциальным выходом аналого-дискретного вычислителя 18 (19). Аналоговый вход первого аналого-дискретного вычислителя 18 соединен с синусной 9. а второго — с косинусной 10 выходной обмоткой датчика 7 положения. Первые и вторые управляющие входы аналого-дискретных вычислителей 18 и 19 попарно объединены между собой и соединены соответственно с выходами первого 12 и второго 17 формирователей опорного напряжения. Пропорциональные выходы первого и второго аналого-дискретных вычислителей 18 и 19 подключены соответственно к вторым входам первого 2 и второго 3 умножителей, Дифференциальный выход первого аналого-дискретного вычислителя 18 подключен к инверсному входу второго сумматора 16, а дифференциальный выход второго аналогодискретно о вычислителя 19 — к инверсному входу первого сумматора 15.

Вентильный электропривод работает следующим образом.

Сигнал UB задания скорости, вырабо- танный эадатчиком 13 частоты вращения и усиленный в предварительном усилителе

14, поступает в виде напряжения постоянного тока на вход 4 вентильного электродвигателя.

На обмотку возбуждения датчика 7 положения с выхода источника 11 напряжения возбуждения подается напряжение

UB=Uosin Т т

2л (1) где U<, Т вЂ” соответственно амплитуда и пеолод напряжения возбуждения.

В результате на синусной 9 и косинусной 10 обмотках датчика 7 положения появляются синусоидальные напряжения того же периода, но модулированные по амплитуде соответственно синусом и косинусом 5 электрического угла поворота датчика 7 положения, т.е. электрического угла поворота ротора синхронной машины 1, отсчитываемого от некоторой неподвижной оси, связанной со статором синхронной ма- 10 шины 1, т.е.

U<=KgUpsln t з!и п1йй;

2 (2)

2л

Uk=KgUpsln .„ tcos паж, (3) где Up, Π— напряжения соответственно на синусной 9 и косинусной 10 выходных обмотках датчика 7 положения;

m — число пар полюсов датчика 7 положения; 20 в — угловая частота вращения датчика

7 положения;

Kg — коэффициент передачи датчика 7 положения.

Напряжения Up и Ок поступают соот- 25 ветственно на аналоговые входы аналогодискретных вычислителей 18 и 19, Одновременно на управляющие входы аналого-дискретных вычислителей 18 и 19 поступают последовательности управляющих 30 импульсов, сформированные формирователями 12 и 17 опорного напряжения:

f"0" при Ов <+0,95 Оо . (4) 2 "1" при U +0,95 Оо

f "0" при Ов > минус — 0,95 Up

17 "1" при Uâ S минус — 0,95 Uî (5) где Un, О17 — управляющие импульсы, снимаемые с выхода формирователей 12 и 17, 40

"0" — напряжение, соответствующее логическому нулю.

"1" — напряжение, соответствую ее логической единице.

Напряжения О1 и О17 представляют 45 собой последовательности узких импульсов с периодом, равным периоду напряжения возбуждения и сдвинутые друг относительно друга на 180 эл,град. (фиг, 2). Последовательность управляющих импульсов U12 50 поступает на первый управляющий вход, а последовательность управляющих импульсов 017 — на втоРой упРавляющий вход аналого-дискретных вычислителей 18 и 19. устройство выборки-хранения 23-26, 55 входящие в состав аналого-дискретных вычислителей 18 и 19, работает в двух режи-. мах: режим "Слежение", при котором сигнал на выходе устройства выборкиО22(то+ AT)=

2 г 1

= — — — KQUps)n ma(tp+ nT)+

Т 1 2

2n — 1

+ 2KQUpSin m co(tp+ 2 T ) — — KQUpsin m а(то+(и-1)Т)

2 (10) хранения изменяется пропорционально с коэффициентом пропорциональности К -1 сигналу на его входе (этот режим реализуется при подаче на управляющий вход логической "1"); режим "Хранение", при котором сигнал на выходе устройства выборки-хранения не изменяется (этот режим реализуется при подаче на управляющий вход логического "0"), Таким образом, на выходе устройства

23 выборки-хранения в моменты tp+ nT (где n=1, 2, 3...), соответствующие задним фронтом последовательности импульсов

О12, формируется напряжение, пропорциональное огибающей напряжения Оо, поступающего на аналоговый вход аналогодискретного вычислителя 18 (фиг. 2, О23).

Это напряжение описывается следующей ступенчатой функцией

UQ3(tp+AT}=Kg Upsin m в (то+ пТ). (6)

На выходах второго 24 и третьего 25 устройств выборки-хранения аналого-дискретного вычислителя 18 в моменты tp+nT имеются напряжения, сформированные ра2п — 1 нее в моменты tp+

Т, которые соответствуют задним фронтам последовательности импульсов О17 (фиг. 2, U24, О25).

Эти напряжения описываются выражениями:

О24(то+ и Т)=

2n — 1

= КцОоз!и m й) (Ео + Т ); (7)

О25 (то+пТ)=

=KgUpsin m м(tp+(n 1)Т), (8)

Напряжения с выходов первого 23, второго 24 и третьего 25 устройств выборкихранения подаются на соответствующий вход трехвходового сумматора 22, который реализует функцию

Y = — — Х1+ — ХЗ вЂ” — Х3, 1 4 . 3

Т Т Т (9) где Y — напряжение на выходе сумматора;

Х1, Xz, Х3 — напряжения на первом, втором и третьем входах сумматора, Подставив значения входных напряжений, определяемых выражениями (6) — (8), в уравнение (9), найдем выражение для напряжения на выходе трехвходового сумматора 22 аналого-дискретного вычислителя 18 в момент tо+ пТ:

Если обозначить

2n — 1

sin m со(то+

2 т) -sin m N (to+(n- 1)T )=

= Л sin в в(to+(n-1)Т); (11)

sin mN (to+ (n-1)Т )2n — 1

- 2sin mt (to+ Т) +

+ sin men(tо+ пТ)

=Aг sin вм(to+(n-1)Т ), (12) где Л вЂ” оператор нисходящих разностей для интерполяции вперед, то выражение (10) примет вид

022(1о+пт)=

=- KgUp — (Л sin me(to+ (n-1)Т)Т вЂ” — h sin вв (tp+(n-1)Ò)}. (13)

Известно выражение — Л sin mm (tp+ (n-1)Т)2

Т

- — Л sin ms@(to+ (и-1)T)

1 2

Т определяет производную входной функции в точках tp+(n-1)T.

Следовательно, в момент tp+(n-1)T уравнение (13) характеризует производную огибающей входного напряжения и может быть записано в виде, U22 (to + nT) =

- =K,0omecos(t. +(n — 1) T), (14)

Напряжение 022(то+ пТ) поступает на вход устройства 26 выборки-хранения, на управляющий вход которого в моменты

to+nT поступает управляющий импульс последовательности импульсов 012, в результате на его выходе в эти моменты появляется напряжение, соответствующее производной огибающей входного напряжения (фиг. 2 — 02б), т.е

02б (to+ пт)=

==KgUom и со$ m 0) (tp+ (и-1)Т). (15)

Напряжение Огб с выхода устройства 26 выборки-хранения поступает на вход второго фильтра 21 с передаточной функцией

1+Т Р

Кг (16)

1 +ТфР где Кг — передаточный коэффициент второго

21 фильтра;Тф — постоянная времени фильтра.

В результате на дифференциальном выходе аналого-дискретного вычислителя 18 формируется аналоговый сигнал, пропорциональный производной огибающей входного напряжения, описываемый уравнением

Од1=021=

+т KgUom ""

К2

1+тфР

+ (п-1)Т), (17)

re Ug> — напряжение на дифференци5 альном выходе аналого-дискретного вычислителя 18.

С выхода устройства 25 выборки-хранения напряжение, описываемое выражением (8), поступает на вход первого фильтра 20 с

10 передаточной функцией (р)го 1+т Р

1+тфР где К1 — передаточный коэффициент первого фильтра 20, В результате на пропорциональном выходе аналого-дискретного вычислителя 18 формируется сигнал, пропорциональный огибающей входного напряжения в момент

1о+ (n-1)T, который описывается выражением

К1

Un) U2Q 1 T p KgUosin m e) (tp+

1+ТфР

+ (и-1)T ), (1 9) где Un> — напряжение на пропорциональном выходе аналого-дискретного вычислителя 18.

Аналого-дискретный вычислитель 19 работает аналогично. Напряжение на его выходах описывается уравнениями:

Ug2 1 + т p KgUpm o) sin m o) (tp+

1+ тфР

+ (n-1)T ); (20)

К1

Un2= „KgUoCOs m 60(to+ (n 1)Т), 1 +тфР (21) где Оцг, Un2 — соответственно напряжения на дифференциальном и пропорциональном выходах аналого-дискретного вычислителя 19.

Анализ уравнений (17), (19)-(21) показывает, что нэ пропорциональных выходах аналого-дискретных вычислителей 18 и 19 формируются сигналы, пропорциональные

45 синусу и косинусу угла положения ротора вентильного электродвигателя, а на дифференциальных выходах — сигналы частоты вращения ротора, промодулированные синусом и косинусом угла положения ротора.

На выходах умножителей 2 и 3 напряжения равны произведению усиленного предварительным усилителем напряжения задания 0> и напряжений аналоговых выходов Uni и Un2 первого 18 и второго 19 аналого-дискретных вычислителей соответственно:

Ki

02=KnUs 1 Т- Р KgUosfn N fD (tp+

1 +ТфР

+ (и-1)Т ); (22) 1631688

К1

0З=Кл0з „+Т, KgUocos m в (to+

1 +ТФР

+ (и-1)Т ), (23) где K() — коэффициент усиления предварительного усилителя 14, Первый 15 и второй 16 сумматоры вычитают из напряжений Uz и 0з соответственно напряжения дифференциальных выходов Ug2 и Ug1 второго 19 и первого 18 аналого-дискретных вычислителей, Полученные разности напряжений усиливаются усилителями 5 и 6 мощности, выходные напряжения которых описываются уравнениями;

0в= —  — (Кв0зК1-Квт и) Х

КмК Uo

1+Т4Р

csin m в (т,+ (и-1)Т); (24)

06= (Кв0зК1 #2m m) X

KMK Uo

1+ТфР

Хсоэт в (to+ (n-1)Т). (25)

Напряжения 0б и 0б прикладываю-:ся к синусной и косинусной фазам якорной об, мотки синхронной машины 1. В соответствии с принципом действия синхронной машины эти напряжения образуют в расточке ее статора вращающееся магнитное поле, которое создает вращающий момент.

Под действием вращающего момента ротор машины вращается с частотой, пропорциональной амплитуде напряжений 0б и

0б, co=KepK KgUo(KnUsK1 — Kzm N), (26) где Квр — коэффициент, определяемый конструктивными параметрами синхронной машины 1.

Решая уравнение (26) относительно скорости, получим

ВОК КВ0окК К1

1 + KgpK KgUpKzm

В полосе рабочих частот коэффициенты усиления выбираются достаточно большими,. чтобы выполнялось неравенство

К80КмКц0оК2гп» 1, (28) что позволяет пренебречь "1" в уравнении (27), которое при этом преобразуется в уравнение си =К0з, где К =

К1 Кп (29)

Kgm

Следовательно, в предлагаемом вентильном электроприводе частота вращения вентильного электродвигателя поддерживается пропорциональной напряжению задания во всем диапазоне частот его изменения, ограниченном только неравен ством (28).

Регулировочная характеристика электропривода, как следует из уравнения (29), имеет вид прямой линии.

Таким образом, введение в вентильный электродвигатель двух сумматоров, второго формирователя опорного напряжения и двух аналого-дискретных вычислителей позволяет значительно упростить схему вентильного электродвигателя и тем самым уменьшить аппаратурные затраты, так как введенные элементы в предложенных связях одновременно выполняют функции фаэочувствительного выпрямителя и датчика частоты вращения.

10

Формула изобретения

Вентильный электропривод, содержащий двухфазную синхронную машину, пер15 вый и второй блоки умножения, первые входы которых объединены и являются входом управления вентильного электропривода, первый и второй усилители мощности, выходы которых подключены соответствен20 но к синусной и косинусной фазам обмотки якоря синхронной машины, дат ик положения ротора с обмоткой возбуждения и синусной и косинусной выходными обмотками, установленный на валу ротора синх25 ронной машины, источник напряжения возбуждения, выход которого соединен с обмоткой возбуждения датчика положения ротора, формирователь опорного напряжения, входом соединенный с выходом источника напряжения возбуждения и последовательно соединенные междусобой задатчик частоты вращения и предварительный усилитель, выходом подключенный к входу вентильного электропривода, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и снижения аппаратурных затрат, введены первый и второй алгебраические сум30

35 маторы, второй формирователь опорного снабжен двумя фильтрами, трехвходовым сумматором, реализующим функцию

1 4 3

Y = — — Х1+ — Х2 — — ХЗ, Т т Т где Х1, Хр, Хз, Y — напряжения соответствен45 но на первом, втором и третьем входах и выходе трехвходового сумматора;

Т вЂ” период напряжения возбуждения, и четырьмя устройствами выборки-хранения, при этом аналоговые входы первого и второго устройств выборки-хранения сое50 динены между собой и являются аналоговым входом вычислителя, управляющие входы первого и четзертого устройств выборки-хранения соединены между собой и являются первым управляющим входом вычислителя, объединенные управляющие входы второго и третьего устройств выборки-хранения образуют второй управляю40 напряжения, первый и второй аналого-дискретные вычислители, каждый из которых

Составитель А.Иванов

Редактор M,Êeëåìåø Техред M.Moðãåíòàë Корректор А.Осауленко

Заказ 554 Тираж 343 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 щий вход вычислителя, выход первого устройства выборки-хранения соединен с аналоговым входом третьего устройства выборки-хранения и с первым входом трехвходового сумматора, выход второго устройства выборки-хранения — с вторым входом трехвходового сумматора, выход третьего устройства выборки-хранения соединен с третьим входом трехвходового сумматора и входом первого фильтра, выход которого образует пропорциональный выход вычислителя, выход трехвходового сумматора соединен с аналоговым входом четвертого устройства выборки-хранения, выход которого соединен с входом второго фильтра, выход которого является дифференциальным выходом вычислителя, причем суммирующие входы первого и второго алгебраических сумматоров подключены к выходам соответственно первого и второго умножителей, а их выходы подключены к входам первого и второго усилителей мощности, вход второго формирователя опорного напряжения подключен к выходу источника напряжения возбуждения, анало5 говые входы первого и второго аналого-дискретных вычислителей подключены соответственно к синусной и косинусной выходным обмоткам датчика положения, первые и вторые управляющие входы вы10 числителей попарно объединены и соединены соответственно с выходами первого и второго формирователей опорных напряжений, пропорциональные выходы первого и второго вычислителей подключены соответ15 ственно к вторым входам первого и второго умножителей, дифференциальный выход первого вычислителя подключен к вычитающему входу второго алгебраического сумматора, дифференциальный выход второго

20 вычислителя подключен к вычитающему входу первого алгебраического сумматора.