Вентильный электропривод с непосредственным питанием от сети переменного тока

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в исполнительных механизмах различного назначения с цифровым управлением, Целью изобретения является упрощение, повышение КПД путем увеличения среднего значения вращающего момента и уменьшения его пульсаций. С этой целью в вентильном электроприводе с непосредственным питанием от сети переменного тока датчик 6 положения ротора выполнен с тремя выходами для осуществления позиционно-зависимой коммутации, широтно-импульсный модулятор - общим для всех каналов 15-17 блока управления с подключением его кодового входа к шине управляющего воздействия и выходу генератора 18 импульсов. Выходы датчика 6 подключены соответственно к трем входам блока реверса, выполненного на элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7. Первый вход блока реверса соединен с шиной знака управляющего воздействия, а третий и четвертый входы каждого канала блока управления - с силовыми входами одного из мостовых коммутаторов 2-4. Исключение ряда узлов из схемы электропривода .позволило отказаться от модуляций фазных напряжений синхронной машины 1 в функции угла поворота ее ротора. 5 ил., 1 табл. W Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si>s Н 02 К 29/06, Н 02 Р 6/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4706139/07 . (22) 14.06;89 (46) 23.03.92. Бюл. 3Ф 11 (71) Белорусский государственный университет им. В. И. Ленина (72) В. Д. Любецкий, Л, И. Матюхина, А. С, Михалев и С. H. Сидорук (53) 62-83:621.316.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

f4 1582291. кл. Н 02 К 29/06, 1988.

Авторское свидетельство СССР . N 1585880, кл. Н 02 К 29/06, 1988. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД С

НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ПИТАНИЕМ ОТ

СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в исполнительных механизмах различного назначения с цифровым управлением, Целью изобретения является упрощение, повышение КПД путем увеличения среднего значения вращающего момента.и уменьшения его пульсаций. С

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в исполнитель.ных механизмах различного назначения с цифровым управлением.

Целью изобретения является упрощение электропривода, повышение КПД и равномерности вращения путем увеличения среднего значения вращающего момента и уменьшения его пульсаций. . На фиг. 1 представлена функциональная электрическая схема вентильного электропривода с непосредственным питанием от сети переменного тока; на фиг. 2 — функ Ы 1721738 А1 этой целью в вентильном электроприводе с непосредственным питанием от сети nepeM8HHofo тока датчик 6 положения ротора выполнен с тремя выходами для осуществления позиционно-зависимой коммутации. широтно-импульсный модулятор - общим для всех каналов 15-17 блока управления с подключением его кодового входа к.шине управляющего воздействия и выходу генератора 18 импульсов. Выходы датчика 6 подключены соответственно к трем входам блока реверса, выполненного на элементе

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7. Первый вход блока реверса соединен с шиной знака управляющего воздействия, а третий и четвертый входы каждого канала блока управления — c силовыми входами одного иэ мостовых коммутаторов 2 — 4. Исключение ряда узлов из схемы электропривода.позволило отказаться от модуляции фазных напряжений синхронной машины 1 в функции угла поворота ее ротора. 5 ил., 1 табл.

4 циональная схема мостового коммутатора для одной фазы синхронной машины; на фиг. 3 — вариант подключения мостовых. коммутаторов к сети переменного тока с гальванической развязкой от первичной сети; на фиг. 4- подключение мостовых коммутаторов без согласующего трансформатора: на фиг. 5 — графики зависимости относительного вращающего момента синхронной машины от . угла поворота вала во всем диапазоне изменения фазы сети.

Вентильный электропривод содержит синхронную машину 1 с,трехфазной

1721738 якорной обмоткой, гальванически развязанные фазы которой подключены соответственно выходам мостовых коммутаторов 2-4, силовые входы каждого из которых снабжены зажимами для подключения к одной из фаз а, а; b,b1: с, с сети 5 переменного тока.

1, . 1

На валу синхронной машины 1 установлен датчик 6 положения ротора, выполненный с тремя выходами для осуществления позиционно-зависимой коммутации.

Вентильный электропривод содержит также блок реверса с четырьмя входами и тремя выходами и логический блок управления.

Блок реверса составлен из трех-двух входовых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 7, обьединенные первые входы которых образуют первый вход блока реверса, предназначенный для подключения к шине знака signing управляющего воздействия. Вторые входы логических элементов

7 образуют соответственно второй, третий и четвертый входы блока реверса, соединенные соответственно с выходами датчика

6 положения ротора. Выходы логических элементов 7 образуют соответствующие выходы блока реверса.

Логический блок управления выполнен трехканальным, каждый канал которого со-. ставлен иэ компаратора 8, трех логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 9-11 и двух инверторов 12 и 13. Обьединенные первые входы первого 9 и второго 10 управляющих логических элементоов образуют первый вход канала логического блока управления, подключенный к одному из выходов блока реверса. Второй вход логического элемента 9 образует второй вход упомянутого канала, подключенный к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 14, Вторые входы второго 10 и третьего 11 логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключены к выходу компаратора 8, а их выходы — к входам инверторов 12 и 13. Компаратор 8 выполнен двухвходовым, образующим соответственно третий и четвертый входы данного канала, соединенные с силовыми входами одного из мостовых комму. таторов 2-4. Первый вход логического элемента 11 соединен с выходом логического элемента 9, Выходы логических элементов 10, 11 и инверторов 12, 13 образуют выходы данного канала блока управления, подключенные соответственно к управляющим входам одного из мостовых коммутаторов.

ШИМ 14 выполнен общим для всех ка налов 15-17 блока управления. Его кодовый вход служит для подключения к шине hg управляющего воздействия, а тактовый вход соединен с выходом генератора 18 импульсов.

Коммутатор для одной фазы обмотки

5 якоря составлен из четырех ключей 19-22 (см. фиг, 2), соединенных по мостовой схеме, выводы а, а переменного тока которой образуют силовые входы коммутатора, а выводы второй ее диагонали — выходы комму10 татора, Каждый мостовой коммутатор 2-4 может быть подключен к сети Х, У. 2 посредством согласующего трансформатора 23 (см. фиг. 3) или без него (см. Фиг. 4). В последнем

15 случае сеть имеет нулевой провод N.

Вентильный электропривод работает следующим образом.

В ШИМ 14 с частотой f© записывается с шины код hg управляющего воздействия.

20 При этом частота f< выбирается в соответствии с соотношением ш = тг (1)

2" — 1 где бг — частота генератора.

Длйтельность г импульса управления для конкретного bg составляет (2)

hgГ

0 Таким образом, коэфФициент заполнения р импульсов LUMM всех фаэ синхронной машины 1 равен 9

2л 1

35 где Тщ — период импульсов ШИМ, Блок управления i-й фазы на основе сигналов е, и, s осуществляет формирование сигналов А, В, С; 0 управления ключами

19-22 мостового коммутатора в соответст40 вии с таблицей

h А 0 С 0 (3) «0 Логические переменные(сигналы е. h. s) определяются следующим образом. Выходной сигнал е компаратора главного канала блока управления равен логическому нулю при отрицательной полярности сетевого на55 пряжения относительно нейтрали сети 5 переменного тока и логической единице в . противном. случае. Значение выходного сигнала ШИМ h - 1 определяет подключение.l-й фазы якорной обмотки к фазе сети, h = 0 соответствует динамическому тормо1721738 жению синхронной машины 1 путем короткого замыкания 1-й фазы. Значение s - 1 определяет направление протекания тока в

1-й фазе от начала к концу и наоборот и может быть найдено как 5

s - sign Ьц + sign (sin (ag + 3 л1)), l - О, 2, где ац — угол поворота ротора синхронной машины, что задает реверс вентильного электропри- 10 вода при изменении значения sign Ьц путем одновременного инвертирования сигналов s всех фаз, что приводит к пере-мене направления тока во всех фазах и смене знака вращающего момента. Сигна- 15 лы sign (sin (ag+ — лЩ снимаются с выхо2

3. дов датчика 6 положения ротора, что с учетом полярности сетевого напряжения обусловливает независимость направления тока фаз 20 якорной обмотки от текущей фазы сети.

Минимизированные логические уравнения, полученные иэ таблицы, имеют вид

А - е®(з9Ь);

С =е®з; 25

В А;

D -=. С.

Единичные значения сигналов управления ключами 19-22 определяют их замкнутое состояние и наоборот. 30

Подключение фаз якорной обмотки синхронной машины к питающему напряжению осуществляется следующим образом. Пусть в начальный момент значения сигналов h, s, е таковы: h = О, s = О. е = О, На выходах 35 логических элементов 9 — 11 имеют логические нули, на выходах инверторов 12, 13— логические единицы. При этом ключи 19 и

21 разомкнуты, а ключи 20 и 22 замкнуты, что соответствует режиму динамического 40 торможения. При смене эначения h (h = 1) на выходах логических элементов 9 и 11 — сигналы логических единиц, что соответствует замыканию ключей 19 и 22 и размыканию ,ключей 20 и 21 и протеканию тока в обмотке 45 от конца к началу. При смене знака е питающего напряжения (е = 1) на выходе логического элемента 10 появляется сигнал логической единицы, а на выходе логического элемента 11 — логического нуля, ключи 20 50 и 21 замыкаются, ключи 19 и 22 размыкаются, и направление тока в фазе остается неизменным. Изменение направления тока в фазе происходит лишь при изменении сигнала s. При переходе сигнала s в логическую 55 единицу (для значений h = 1, е = 1) на выходах логических элементов 9, 10 появляется логический нуль, логического элемента 11 — логическая единица и происходит размыкание ключей 20 и 21 и замыкание ключей

19 и 22, что соответствует протеканию тока в.обмотке от начала к концу. Мостовые коммутаторы 2 — 4 должны быть реализованы на ключах с двусторонней проводимостью (симмисторы, полевые транзисторы, пары биполярных транзисторов).

Положительный эффект изобретения достигается за счет отказа от модуляции фазных напряжений синхронной машины 1 в функции угла ag поворота вала по гармоническим законам

sin(,+ — i), I=0,2.

Это позволяет значительно упростить вентильный электропривод, исключить управляемый делитель частоты, два Ш ИМ, постоянное запоминающее устройство.

Анализ полярности сетевого напряжения либо относительно нейтрали трехфазной сети (см. фиг. 4), либо относительно других выводов вторичных обмоток согласующего трехфазного трансформатора (см. фиг. 3, когда выводы а . Ь, с не связаны) позволяет отказаться от использования. трехфазного трансформатора с выводом средних точек вторичных обмоток, а для BbfcoKQBollbl синхронных машин — и от использования согласующего трехфазного трансформатора (cM. фиг. 4), тем самым значительно улучшая массогабаритные показатели привода и увеличения его КПД. Кроме того, использование вместо дорогого цифрового датчика угла простого и надежного датчика для позиционной зависимости коммутации позволяет существенно снизить стоимость привода и повышает его надежность. Это позволяет поднять средний вращающий момент и уменьшить его пульсации.

Действительно, если рассматривать пусковые режимы работы привода для всех возможных угловых положений а ротора синхронной машины ag = Π— 2л, изменяя для каждого конкретного ag фазу сети от О до 2 к, то получится зона значений вращающего момента для произвольных ag и моментов времени, Анализ показывает, что в известном устройстве (см. фиг. 5) эта зона ограничена кривыми E — F, à в предлагаемом устройстве — кривыми E — F, т.е. при фиксированном ag момент M пульсирует с частотой сети от значения Mf до Mf, i = 1, 2.

Вычисление пульсации hMf по формуле

ЛМ; — М " " М """ 100

MfMaxc дает для первого устройства ЬМ1 = 66, для предлагаемого устройства .hMz = 50, что свидетельствует о снижении пульсаций вращающего момента на 16%, Кроме того, из

1721738 графика (см. фиг. 5) видно, что в предлагаемом электроприводе вращающий момент достигает предельно возможного значения

М2макс при данном напряжении питания (100 от Ммакс граница F ), a M2c 75® от 5

М экс, тогда как в первс м устройстве М1 макс"

=86 от Ммк«с(кривая F, при этом М1ся„-60 от Мм кс и, следовательно, увеличение среднего момента составляет 157ь без увеличения напряжения питания. 10

Следует подчеркнуть, что в динамическом режиме пульсации напряжений якорных обмоток сглаживаются электромагнитной инерцией фаэ, а электромеханическая инер-, ция двигателя сглаживает пульсации его вра- 15 щающего момента.

Таким образом. эа счет исключения из схемы некоторого количества логических и силовых элементов и использования более простого датчика, положения ротора уда- 20 лось значительно уменьшить пульсации вращающего момента электроприводэ и поднять его среднее значение. что играет решающую роль для целого ряда применений описанНого электропривода (робото- 25 техника, станки с ЧПУ и т.д,).

Формула.изобретения

Вентильный электропривоД с непосредственным питанием от сети переменного тока, содержащий синхронную машину с 30 трехфазной якорной обмоткой, гальванически развязанные фазы которой подключены соответственно к выходам трех мостовых коммутаторов, силовой вывод каждого из которых снабжен зажимами для подключе- 35 ния к одной иэ фаз сети переменного тока, датчик положения ротора, установленный на валу синхронной машины, блок реверса с четырьмя входами и тремя выходами, первый вход которого служит для подключения 40 к шине знака управляющего воздействия, трехканальный логический блок управления, каждый трехвходовый канал которого составлен из соединенных между собой

45 компарэтора, трех логических элементов

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и двух инверторов, выходы которых и выходы второго и третьего логических элементов, подключенных к входам инверторов, образуют четыре выхода данного канала, подключенных к управляющим входам соответствующего мостового коммутатора, первый вход каждого канала блока управления:. образованный объединенными первыми входами первого и второго логических элементов

ИСКЛК)ЧАЮЩЕЕ ИЛИ данного канала, подключен к одному из выходов блока реверса, второй вход упомянутого канала, образованный вторым входом его первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ.

ИЛИ, соединен с выходом широтно-импульсного модулятора, а третий вход каждого канала блока управления. образованный входом его компаратора, соединен с одним из силовых входов соответствующего мостового коммутатора. генератор импульсов, отличающийся тем, что. с целью упрощения, повышения КПД и равномерности вращения путем увеличения среднего значения вращающего момента и уменьшения его пульсаций. датчик положения ротора снабжен двумя дополнительными выходами для осуществления позиционнозависимой коммутации, выходы датчика подключены соответственно к второму, третьему и четвертому входам блока реверса, широтно-импульсный модулятор выполнен общим для всех трех каналов блока управления, кодовый вход широтно-импульсного модулятора служит для подключения к шине управляющего воздействия, а тактовый вход соединен с выходом генератора импульсов, компаратор каждого канала блока управления снабжен вторым входом, образующим четвертый вход данного канала, подключенный к другому силовому входу соответствующего мостового коммутатора.

1721738

172173В

Редактор Т;Иванова

Заказ 950 Тираж 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

У

+mux

7_#_

8д

Составитель А.Головчемко

Техред М,Моргентал Корректор 3.Лончэкова