Вентильный электропривод

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах. Цель изобретения - упрощение и снижение аппаратурных затрат . Для этого вентильный электропривод дополнительно содержит первьй и второй формирователи опорного напряжения , первьй и второй аналого-дискретные вычислители, каждый из которых включает фильтр, трехвходовой сумматор и четыре устройства выборкихранения. При работе вентильного электропривода вычислительные устройства 15, 16 формируют сигналы, содержащие позиционную и скоростную составляющие . Под действием этих сигналов в синхронной машине 1 развивается электромагнитный момент, при этом угол между током и магнитным потоком ротора не зависит от частоты вращения электродвигателя, что позволяет упростить привод и снизить аппаратурные затраты, сохраняя оптимальный по условию максимума момента угол между током и магнитным потоком ротора синхронной машины. 3 ил. (Л

СООЗ СО8ЕТСКИХ

СОЦИЛЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) ГОСУДАРСТ8ЕКНЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ CHHT СССР (21) 4496691/07 (22) 21. 10. 88 (46) 07. 06. 91. Бюп. Р 21 (72) Р.И.Чайковский, Э.З.Тимощук, В.E,Ãoâåíêo, M.Ñ.Móçûêà и M ° E.Панчак (53) 62-83:621.313.322 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР !

> 660159, кл. Н 02 К 29/06, 1979.

Авторское свидетельство СССР

Р 1480084, кл. Н 02 К 29/06, 1988. (54) ВГИТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в следящих системах. Цель изобретения— упроцение и снижение аппаратурных затрат. Для этого вентильный электропривод дополнительно содержит первый и второй формирователи опорного напря(51)5 Н 02 Р 6/00 Н 02 K 29/06 жения, первый и второй аналого-дискретные вычислители, каждый из кото- ° рых включает фильтр, трехвходовой сумматор и четыре устройства выборкихранения. При работе вентильного электропривода вычислительные устройства 15, 16 формируют сигналы, содержащие позиционную и скоростную составляющие. Под действием этих сигналов в синхронной машине 1 развивается электромагнитный момент, при этом угол между током и магнитным потоком ротора не зависит от частоты вращения электродвигателя, что позволяет упростить привод и снизить аппаратурные затраты, сохраняя оптимальный по условию максимума момента угол между током и магнитным потоком ротора синхронной машины. 3 ил.

С:

1654960

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электроприво- ду, и может быть использовано в следящих системах.

Целью изобретения является упрощение и уменьшение аппаратурных затрат.

На фиг.1 изображена функциональная схема вентильного электродвигателя, на фиг.2 — временные диаграммы работы 10 формирователей опорных напряжений; на фиг.3 — диаграммы, иллюстрирующие работу вентильного электропривода.

Вентильный электропривод содержит двухфазную синхронную машину 1, меха15 нически связанную с датчиком 2 положения ротора, выполненного в виде вращающегося трансформатора с обмоткой 3 возбуждения, синусной 4 и косинусной 5 обмотками, первый 6 и второи 7 усилители, выходы KoTopblx подключены соответственно к синусной 8 и косинусной 9 якорным обмоткам синхронной машины 1. Кроме того, вентильный электропривод содержит источник

10 входного сигнала, включающий генератор 11 опорного напряжения и модулятор i2. Опорный вход модулятора 12 подключен к выходу генератора 11, а выход модулятора является выходом 30, источника 10 входного сигнала и под ключен к обмотке возбуждения датчика

2 положения ротора. Дополнительно вентильный электропривод содержит первый 13 и второй 14 формирователи опорного напряжения, первый 15 и второй 16 аналого-дискретные вычислители с аналоговым 17 и первым 18 и вторым

19 управляющими входами. Аналоговые входы 17 первого 15 и второго 16 ана- 40 лого-дискретных вычислителей подключены к синусной 4 и косинусной 5 обмоткам датчика 2 положения ротора соответственно. Одноименные управляющие входы вычислителей объединены. Объе- 45 диненные первые управляющие входы 18 подключены к выходу формирователя 13 опорного напряжения, объединенные вторые управляющие входы 19 подключены, к выходу формирователя 14 опорного 50 . напряжения. Выходы первого 15 и второго 16 вычислителей подключены соответственно к входам первого 6 и второго 7 усилителей.

Каждый аналого-дискретный вычисли-55 тель 15.и 16 включает в себя фильтр

20, трехвходовой сумматор 21, реализующий функцию

Та Тэ

Y — — Х, +4 — — Х+(1T 1 Т 2 — 3 —. -) Х т эу и четыре устройства 22 — 25 выборкихранения. Аналоговые входы первого 22 и второго 23 устройств выборки-.хранения объединены и образуют аналоговый вход 17 вычислителя. Управляющие входы первого 22 и четвертого 25 устройств выборки-хранения объединены и образуют первый 18 управляющий вход вычислителя. Управляющие входы второго 23 и третьего 24 устройств выборкихранения объединены и образуют второй

19 управляющий вход вычислителя. Выход первого 22 устроиства выборкихранения подключен к аналоговому входу третьего устройства 24 выборкихранения и к первому входу 26 сумматора. Выходы второго 23 и третьего 24 устройств выборки-хранения подключены соответственно к второму 27 и третьему 28 входам сумматора 21, выход которого подключен к аналоговому входу четвертого устройства 25 выборки-хракения. Выход четвертого устройства 25 выборки-хранения подключен к входу фильтра 20, выход которого образует выход аналого-дискретного вычислителя..

Входы формирователей 13 и 14 опорного напряжения подключены к выходу гене,ратора 11 опорного напряжения, где

Х, Х, Х, Y — напряжения на первом

26, втором 27, третьем 28 входах и выходе сумматора соответственно, Тпериод опорного напряжения, Т - эквивалентная электромагнитная постоянная времени фазы якорной обмотки синхронной машины.

Вентнльный электропривод работает следующим образом.

Сигнал U задания частоты вращения подается на вход модулятора 12 источника 10 входного сигнала. На опорный вход модулятора 12 с генератора 11 опорного напряжения поступает напряжение

29

U =U ain ——

Н o. где U0, Т - соответственно амплитуда и период опорного напря/ жения.

В результате на обмотку 3 возбуж- дения датчика 2 положечня с выхода модулятора 12 поступит напряжение пе5 1654960 ременного тока, описываемое выражением с!

О (2)

20 (3) "1

«О»

«1« гд е 11 1, и 11 „

«О»

«1«

2 и

Б;=11 sin- ——

4а Т (1)

На синусной и косинусной обмотках датчика 2 положения появляются синусоидальные напряжения того же периода, но модулированные по амплитуде соответственно синусам и косинусам электрического угла поворота датчика

2 положения или, что то же самое, электрического угла поворота ротора синхронной машины 1, отсчитываемого

15 от некоторой неподвижной оси, связанной со статором синхронной машины:

2н

U = К U sin — -- t sinmgt;

1 3 Т

27

U = U cos — — — t cosmgt

Т

Э где 0с, U q — напряжение соответственно на синусной и косинусной обмотках датчика 2 25 положения, m — число пар полюсов датчика 2 положения, Я вЂ” угловая скорость вращения датчика 2 положения, 30

К вЂ” коэффициент передачи датчика 2 положения.

Напряжения U< и U< поступают соответственно на аналоговые входы аналого-дискретных вычислителей 15 и 16..

Одновременно на управляющие входы аналого-дискретных вычислителей 15 и 16 поступают последовательности управляющих импульсов, сформированные

Формирователями 13 и 14 опорного на- 40 пряжения

«О» при U . (+0,9511 (4)

«1« при 11,3 +0,95Uо ° при Н(5> нус О 95UÎ,. (5) при и3«а нус 0,95U (3 50 — управляющие импульсы на выходе формирователей

13и 14; — напряжение, соответствующее логическому ну.лю, — напряжение, соответствующее логической единице. б

Напряжения U,> и U<< представляют сбой последовательность узких импульсов с периодом, равным периоду опорного напряжения, н сдвинутых друг относительно друга на 180 эл. град.— (фиг.2 и 3).

Устройство выборки-хранения, входящее в состав аналого-дискретных вычислителей 15 и 16, работает в двух режимах.

В режиме "Слежение" сигнал на выходе устройства выборки-хранения изменяется пропорционально (с коэффициентом пропорциональности К = 1) сигналу на его входе. Зтот режим реали" зуется при подаче на управляющий вход логической «1«.

В режиме "Хранение" сигнал на выходе устройства выборки-хранения не изменяется. Этот режим реализуется при подаче на управляющий вход логического «0«.

Таким образом, на выходе устройства выборки-хранения 22 в моменты времени t + пТ, где п = 1, 2, 3 соответствующие задним фронтам последовательности импульсов U<, формиру-. ется квантованное по времени напряжение, пропорциональное огибающей напряжения 11, поступающего на аналоговый вход аналого-дискретного вычислителя 15 (фиг.3, -U ).

Это напряжение описывается следующей ступенчатой функцией:

Ug> (о + nT) K U>sin mQ(t +

+ пТ) .. (6) На выходах второго 23 и третьего

24 устройств выборки-хранения аналого-дискретного вычислителя 15 в момент времени + пТ имеются напряжения, сформированные ранее в мо2п — пенаты времени t + — — — — -Т которые б 2 У соответствуют задним фронтам последовательности импульсов U<4 (фиг.3 Ц...

U g . Эти напряжения описываются выражениями

U<>(t + nT) = К U sinmg(t +

2n — 1

+, T) °

Э (7)

U><(t + nl) = K U sinray(t + (и33

- > ) (8)

Напряжение с выходов первого 22, второго 23 и третьего 24 устройств

7 1654960 в

5 — — -1) sK U в(птЯ С + (и — l)TjI

2 о

Подставив значения входных напряжений, определяемых выражениями (6)— (8) в уравнение (9), найдем выражение напряжения на выходе трехвходового сумматора 21 аналого-дискретного вычислителя 15 в моменты времени t +

+ nТв

U«(t + пТ) = К U в(пшЯ(по + (и—

1)Т + --- - — — -К U sinmQ (t + г Г т . 25 т г )

2n—

+ nT) 4 2Т К U sinmQ(t + — --- — -Т) —.

3 — -- К U зпнп(к)!со + (п-1)Т11 . (10) о

30 (4) 2n — 1

K U sinm!4!(t + — — — — -Т) — К Ь х

3) О 2 3>

35 (sinmQ

+ (и — 1)T), (11) где 1 — оператор нисходящих разностей первого разряда для интерпо- 40 ляции вперед, K U sinm47(ts+ (и — 1) T) — 2К Ц) В

2п-1 ! (вшпп)6)(й + — - — — -Т) + К U sinmg(t+

0 2 45

+ пТ) -() К и в(и«Я(с,+ (n-l)T), (12) где ),2 — оператор нисходящей разности второго порядка для интерполяции вперед, 5G то выражение (10) примет вид (7«(с + пТ) = KTU sinn(U(ts + (п.2Ту Г

1)Т) + - — — -(()K U sinm4)its + (п

1)T) — и ви K sinm (sift + (n !

2 — 1)Т 1 (13) выборки-хранения подается на соответствующий вход трехвходового сумматоI ра 21, который реализует функцию (4):

Тэ 4Тз

Y-- — — Х + — — -Х + (1 т т 2

3 — --) Х тя

Т (9) где 7 — напряжение на выходе сумматора 18;

Х,Х,Х - напряжение на первом, втором и третьем входах сумматора

21, Если обозначить в соответствии с

Согласно (4) выражение

2. à — — (й К U и(птЯ(+ T(n — 1)) т 1 определяет производную входной функции в точках . t z + (n-1) Т.

Следовательно, в моменты времени й„ + пТ уравнение (13) характеризует сумму огибающей и производной огибающей входного напряжения в моменты времени t + (n-1)T и может быть записано s виде ()В,(С + nT) = К U в(птЯ(Т + (и

1)T) > К U Т,тясовтЯ (с + (n—

1)T). (14)

Напряжение Uy(t g + ПТ) поступает на вход 25 устройства выборки-хранения, на управляющий вход которого в моменты времени t< + nT поступает управляющий импульс последовательности импульсов U@ в результате на его . выходе в моменты времени t + nT появ0 ляется напряжение, соответствующее сумме огибающей и производной от огибающей входного напряжения

Ut1(ts + пТ) = K U sinlsm (со + (n

1)Т) + К (1 Т шКсовшЯ(Т + (и—

-1). (15)

Напряжение U< с выхода 25 устройства выборки-хранения поступает на вход фильтра 20 с передаточной функцией ь1 (Р)

К(р (16)

1 + T(!)P где К вЂ” передаточный коэффициент фильтра, Т )) - постоянная времени фильтра, В результате на выходе аналогодискретного вычислителя 15 формируется аналоговый сигнал, пропорциональный сумме огибающей и производной от огибающей входного напряжения, описываемый уравнением

U = U — — — — — — — K U sinmg)(К4)

4 и 1+тр

Ф.

s/t + (и — 1)T) + К U Т шв)совтЯ s

+ (и — 1)Т2!. (17) I

Аналого-дискретный вычислитель 16 работает аналогично. Напряжение на его выходе описывается уравнением

1654960

1О

K(p

U = — — — — — К U cosmQLt +! б!+Тр 1о ф

+ (n - I) T) - K U T m(U1,t + (n () э (о 5

1)»Я. (18) Напряжения U и U(6 поступают соответственно через усилители 6 и 7 с передаточной функцией !

К

W= — ——

1+Т„P — передаточная функция по току синхронной машины 1, — электромагнитная постоян35 ная времени якорной обмотки синхронной машины, 1

К = — — — передаточный коэффициент по току синхронной машины, 40

Р - активное сопротивление

9 якорной обмотки синхронной машины.

В уравнениях (20) и (21) произведения передаточных функций можно 45 представить, если пренебречь производными второго и высшего порядков, в виде эквивалентной передаточной функции (22) -ТР где J(= Y. J: К вЂ” эквивалентный пе э (с редаточный коэффициент фазы яко55

РЯ 9

Т, = Т„+ Т + Т вЂ” эквивалентная постоянная времени фазы якоря.

W (Р) = — — — ——

Кис (19)

3С 1 ° Т сР где К(,, Т„- соответственно передаточный коэффициент и

15 постоянная времени усилителя, на синусную 8 и косинусную 9 якорные обмотки синхронной машины 1 и вызывают токи, описываемые выражениями

i8 = W) 1l 11 (K-U sinn(») (ts + (»» — l) Tj + К U т,»»»Ха»пи (С, . (n 1)т)»вЂ” W КЕ(,1зыизЯ ; (20)

i 9 W»(t W W8 tK 8) с о Б»» Ы (ts + (и — I)T) + К ll T,mgsinmta(t + (n-1)тЯУ К QcosmQt (2! ) где К вЂ” коэффициент, определяемый

В конструкцией синхронной иашины 1;

Кэ

А (CKJ) (23) и фазочастотной (1J (Я) = -arctg тЯТ (24) характеристик эквивалентного звена запишутся в виде следующих непрерывных фнукций:

К Кф) у

s in (m()Jt

1(» ) + T»»ЯсОб(mNt (11 )) 888 Ы» х sinmCOt; (25) Кэ Ка(13

- ) -- --(- -м6— КК Ю со smMt; (26) (1,), = arctg п)((}Т (27) Значение ® определяет сдвиг по фазе между огибающей напряжения на выходе синусной 4 (косинусной 5) обмотки датчика 2 положения и током в синусной 8 (косинусной 9) якорной обмотке синхронной машины 1.

Выражения в квадратных скобках уравнений (25) и (26) представляют собой алгебраическую сумму двух гарм онических величин и в соответствии с правилами суммирования могут быть представлены в виде

sin(mQt — Q, ) + Т mQ)cos(m((}t

sin(mgt — (17(+

- v ) =

+ (1) );

cos(mQt — Q, ) (28) + Т mЦsin(m((}t

Для нормальной работы вентильного электропривода эквивалентная постоянная времени Т выбирается, исходя из условия обеспечения непрерывного характера изменения тока в якорных об-. мотках 8 и 9 синхронной машины 1, в результате чего Т )ЪТ,г. Поэтому при расчете составляющей тока, обусловленной ЗДС якорной обмотки синхронной машины,в передаточной функции по току 31 пренебрегаем электромагнитной постоянной времени Т .

Следовательно, уравнения (20) и (21) токов в якорных обмотках 8 и 9 с учетом амплитудно-частотной

1654960

И =. K+i< sinmQt + KeosmQt, (34) где 1 . — коэффициент, определяемый конструктивиыч исполнением синхронной машины 1.

Подставляя (32) и (33) в (34), по(лучнл и - к„,(к,к 11 — кк („)). (35)

Уравнение (35) является уравнением механической характеристики вентиль° ного электропривода.

Анализ уравнения (35) показывает, что механическая характеристика вентильного электропривода линейна во всем диапазоне изменения скорости, а момент, развиваемый им, пропорционален напряжению Uy задания.

Анализ уравнений (32), (33).и (2), (3) показывает, что фазовый сдвиг между огибающими напряжениями на выходе синусной и косинусной обмоток датчике положения и током соответственно в синусной и косинусной якорных обмотках синхронной машины равен нулю, Следовательно, угол между током и магнитным потоком ротора равен ï /2 и не зависит от частоты вращения ротора.

Таким образом, введение в вентильный электропривод двух формирователей

5 опорного напряжения и двух аналогоцифровых вычислителей, позволяет значительно упростить его схему линейности механических характеристик, так

- () = 1 + (mT Я) соя(шЯ вЂ” (ф +

1 ь

+ 11) ); (29)

Щ = агс а шйТ . (30)

Из выражений (27) и (30) следует

Ц =4, . (31)

Подставляя (28) и (29) соответ;ственно в (25) и (26) с учетом (31), получим ш ) 1

1, = К K U cosmgt-КК .Ясозшф. (33)

В соответствии с принципом действия вентильного привода токи i8, протекая по синусной 8 и косинусной

9 обмоткам, образуют в расточке статора синхронной машины 1 вращающееся магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем статора, создает вращающийся момент, определяемый выражением

3S

40 как введение укаэанных элементов в предложенных связях позволяет поддерживать оптимальный по условию максимума момента угол между током и магнитным потоком ротора синхронной машины, равный и/2, во всем диапазоне

/" изменения скорости ротора.

Формула изобретения

Вентильный электропривод, содержащий двухфазную синхронную машину, механически связанную с датчиком положения ротора, выполненным в виде вращающегося трансформатора с обмоткой возбуждения, синусной и косинусной обмотками, первый н второй усилители, выходы которых подключены соответственно к синусной и косинусной якорным обмоткам синхронной машины, источник входного сигнала, включающий генератор опорного напряжения и модулято, причем опорный вход модулятора подключен к выходу генератора опорного напряжения, а выход модулятора является выходом источника входного сигнала и подключен к обмотке возбуждения датчика положения ротора, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения и уменьшения аппаратурных затрат, введены первый-и второй формирователи опорного напряжения, первый и второй аналого-дискретные вычислители с аналоговым и первым и вторым управляющими входами, каждый из аналого-дискретных вычислителей подключен; к синусной и косннусной обмоткам датчика положения ротора соответственно, одноименные управляющие входы аналого-дискретных вычислителей объединены, причем первые объединенные управляющие входы подключены к. выходу первого формирователя опорного напряжения, а вторые объединенные управляющие входы подключены к выходу второго формирователя опорного напряжения, выходы первого и второго аналого-дискретных вычислителей подключены соответственно к входам первого и второго усилителей, каждый аналого-дискретный вычислитель снабжен фильтром, трехфазовым сумматором, реализующим функцию

Ту 4Тд

У =- "- — Х + — —,- -Х + (1

Т Т 2

Т

". 3 -" — )Х

14 -1654960

2) и четырьмя устройствами выборки-хранения, при этом аналоговые входы первого и второго устройств выборкихранения объединены и образуют анало5 говый вход аналого"дискретного вычислителя, управляющие входы первого, н четвертого устройств выборки-хранения объединены и образуют первый управляющий вход, управляющие входы второ- 1О го и третьего устройств выборки-хранения объединены и образуют второй управляющий вход аналого-дискретного вычислителя, выход первого устройства выборки-хранения подключен K BHBJIQFo- 15 ному входу третьего трехвходового сумматора, выходы второго и третьего устройств. выборки-хранения подключены к второму и третьему входам трехвходового сумматора соответственно, выход сумматора подключен к аналоговому входу четвертого устройства вьг борки-хранения, выход которого подключен к входу фильтра, а выход фильтра образует выход аналого-дискретно-. го вычислителя, входы первого и второго формирователей опорного напряжения подключены к выходу генератора опорного напряжения, где Х, Х, Хз, Y — напряжения на первом, втором,третьем входах и выходе сумматора соответственно, Т вЂ” период опорного напряжения, T — эквивалентная электромагнитная постоянная времени фазы якорной обмотки синхронной машины.

Составитель А.Иванов

Редактор Л.Гратилло Техред Л,Серд окова Корректор А. Обручар

Заказ 1958 Тираж 360 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

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