Вентильный электродвигатель

 

Использование: в приводах различных исполнительных механизмов. Сущность: введены датчик тока 13, элементы 14, обеспечивающие обратную связь по току. Блок коррекции содержит элемент 11 сравнения и регулирующий элемент 12, входами соединенный с обмоткой управления датчика 2 положения ротора синхронной машины и выходом элемента 11 сравнения. Вход элемента 11 сравнения через измерительный преобразователь 10 частоты в напряжение соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 5. Введенные элементы позволяют регулировать угол опережения коммутации, ток и напряжение питания синхронной машины. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4775433/07 (22) 29.12.89 (46) 15.04.93, Бюл, ¹ 14 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (72) В,С,Крылов (56) Косулин B.Ä„Ìèõàéëoâ Г.Б., Омельченко

В.В., Путников В.В. Вентильные электродвигатели малой мощности для промышленных роботов. Ленинград. Энергоатомиздат, 1988, с. 33-38.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1418879, кл. Н 02 Р 6/02, 1986. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Использование: в приводах различных

Изобретение относится к электротехнике, в частности к вентильным электродвигателям (ВД), выполненным на основе полупроводниковых преобразователей и синхронных машин (СМ) с постоянным магнитами на роторе и может найти применение при разработке регулируемых и стабилизируемых по частоте вращения ВД, предназначенных для привода различных исполнительных механизмов.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей ВД за счет регулирования как угла опережения О, так и напряжения питания синхронной машины

UcM

Действительно, выполнение блока коррекции из указанных выше структурных элементов так, что его выходной сигнал пропорционален разности сигналов частоты вращения двигателя и заданной величины, введение датчика тока, первого элемента сравнения и выполнение связей. Ы,, 1809504 А1 (si)s Н 02 К 29/14 исполнительных механизмов. Сущность: введены датчик тока 13, элементы 14, обеспечивающие обратную связь по току. Блок коррекции содержит элемент 11 сравнения и регулирующий элемент 12, входами соединенный с обмоткой управления датчика 2 положения ротора синхронной машины и выходом элемента 11 сравнения, Вход элемента 11 сравнения через измерительный преобразователь 10 частоты в напряжение соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 5. Введенные элементы по зволяют регулировать угол опережения коммутации, ток и напряжение питания синхронной машины. 3 ил, между элементами обеспечивает регулиро- Я вание напряжения Ug и фазы 0 выходных сигналов датчика положения ротора; Соответственно изменяются величина UcM и фаза О выходных напряжений усилителей (ф мощности, питающих синхронную машину, С1

При этом в режиме стабилизации частоты О вращения синхронная машина работает с у минимумом тока потребления при нагрузках как равной номинальной, так.и меньше ее, а пуск двигателя проходит в режиме ограничения тока. Указа нн ые отличител ьные особенности расширяют функциональные возможности ВД и его область применения.

На фиг, 1 приведен пример выполнения и-фаэного ВД с усилителями мощности в режиме ШИМ; на фиг. 2 приведен пример выполнения регулирующего элемента; на фиг. За приведены векторные диаграммы

ДПР; на фиг. Зб — векторные диаграммы

1809504 синхронной машины с регулированием по двум параметрам(напряжению U

ВД содержит и-фазную синхронную машину СМ1 с возбуждением от постоянных магнитов, датчик положения ротора 0ПР2, содержащий обмотку возбуждения QB 2 1, управления ОУ 2.2, выходные обмотки 2.3, и каналов питания 3.1, 3.2, ..., Çn фаз СМ1, каждый канал включает в себя усилитель мощности УМ4 и схему управления, состоящую из фазочувствительного выпрямителя

Ф4В5 и широтно-импульсного модулятора

ШИМ6, Кроме того в схеме ВД имеется источник опорных напряжений ИОН7, модулятор М8, генератор пилообразных напряжений ГПН9, датчик тока ДТ13,.первый элемент сравнения ЭС14, блок коррекции 15, состоящий из измерительного преобразователя частоты вращения ротора в напряжение ИПЧ10, второго элемента сравнения ЭС11 и регулирующего элемента

РЭ12. В каждом канале питания 3.1, 3.2, ..., 3п выход ФЧП5 через ШИМ6 соединен с управляющим входом УМ4, выход которого связан с соответствующей фазной обмоткой

СМ1, один из входов ФЧВ5 соединен с соответствующей фазой ДПР2, а другой — с соответствующим выходом ИОН7, синхронизирующий вход ШИМ6 связан с соответствующим выходом ГПН9, вход М8 соединен с одним из выходов ИОН7,. а выход связан с обмоткой возбуждения ДПР2, ДТ13 включен в цепь питания УМ4, а его выход подключен к управляющему входу.

М8 через ЭС14, один из входов которого связан с источником U< задания тока потребления УМ4 (на фиг. 1 не показан); выход одного из ФСВ5 связан со входом

ИПЧ10, выход М8 соединен со входом

Р312, выход которого связан с обмоткой . управления ДПР2, а уйравляющий вход— с выходом ЭС11, один из входов которого соединен с выходом ИПЧ10, а другой — с источником 0г задания частоты вращения (на фиг. 1 не показан).

Регулирующий элемент Р312, представленный на фиг. 2, выполнен по мостовой выпрямительной схемы 1 Д1...ЧД4, в которой в диагональ постоянного тока последовательно включены транзистор VTI u

- резистор R2, В диагональ переменного тока моста последовательно с источником питания (вторичная обмотка трансформатора Т) включена ОУ2.2 датчика положения 2. Первичная обмотка трансформатора Т соединяется с ОВ2 1 датчика положения 2. Входные (управляющие) цепи схемы подключаются к выходу ЭС11. База транзистора ЧТ1 соединена с минусом источника внутренних нужд

10

Ug =Kg Upe+Upy

О=arctg +

Ооу (2), где К вЂ” постоянный коэффициент ДПР, определяемый его конструкцией.

Векторные диаграммы ДПР, построенныедля первых гармоник напряжений, приведены на фиг. 3а.

Работа предлагаемого ВД осуществляется следующим образом. Переменное напряжение Ur от ИОН7 с:частотой Fo поступает через М8.на обмотку воэбужде ния 2,1 датчика положения ротора 2. Выходной сигнал соответствующей фазы 2.3 ДПР2 поступает на один иэ входов соответствующего ФЧВ5, а на другой его вход напряжение с выхода ИОН7. В каждом канале 3.1;

3.2, ..., Зп ФЧВ выделяет низкочастотную

55 — U» через резистор R1, а плюс этого источника подключен к катодам диодов ЧДЗ, ЧД4, Для регулирования двух параметров системы (напряжения UGM и угла О) в схеме ВД используется ДПР2 с двумя идентичными обмотками ОВ и ОУ, смещенными в пространстве на 90 эл.град. относительно друг друга. Величина Ug и смещение по фазе

О(относительно исходной) выходных сигналов ДПР2 зависит от значений напряжений на ОВ (Upe) и ОУ (Upy),. при этом огибающую выходного сигнала ДПР2, частота которого кратна частоте вращения ро- тора. Сигнал с ФЧВ5 подается на вход

ШИМ6, с выхода которого промодулированное по длительности напряжение выходной обмотки 2,3 ДПР2 в виде последовательности импульсов с частотой F ГПН9 подается на УМ4; питающий соответствующую фазу

СМ1.

Во всех режимах работы ВД низкочастотное синусоидальное напряжение ФЧВ5 с частотой кратной частоте вращения СМ1; поступает на вход ИПЧ10, где преобразуется в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна частоте вращения.

Постоянное напряжение с выхода ИПЧ10 поступает на один из входов ЭС11, на другой вход которого подается напряжения Ur, соответствующее заданной частоте вращения СМ1. Сигнал рассогласования с ЭС11 воздействует на управляющий вход РЭ12, на другой вход РЭ12 поступает напряжение

Upe, формируемое М8 из постоянного по величине напряжения 0г ИОН7. Выходной сигнал РЭ12 воздействует на ОУ 2.2 датчика положения ротора 2.

1809504

Пуск ВД происходит в режиме ограни- ний УМ4 (угол О). В соответствии с зависичения тока потребления УМ4, при этом так мостью (1) изменяются также величины выизменяютсяфазныенапряжения U<>,чтобы ходных напряжений ДПР2 (0 ) и, обеспечивался необходимый электромаг- следовательно, УМ4 (UcM). 3a счет этого нитный момент. Контур регулирования при 5 обеспечивается стабилизация частоты враограничении тока состоит из ДТ13 и ЭС14, щения СМ1 при изменении нагрузки, Необпри этом ДТ13 включен к цепь питания УМ4 ходимо заметить, что РЭ12 выполняется в всех каналов. На один вход ЭС14 поступает виде линейного регулятора напряжения с сигнал 0, соответствующий величине за- .обратной зависимостью выход — управледанного тока потребления. а на другой вход 10 ние. сигнал с выхода ДТ13. Сигнал с выхода На рис. Зб приведены векторные диагЭС14 поступает на управляющий вход М8. раммы неявнополюсной СМ1, построенные

Этот регулирующий элемент выполнен в ви- для первых гармоник фазных напряжений U, де линейного регулятора с обратной зависи- тока I è ЭДС Е (без учета падения напряжения мостью выход — управление. 15 в активном сопротивлении фаз электрической

В процессе разгона СМ1 под действи- машины) при частоте вращения в = const u ем выходного сигнала ЭС14 уменьшается минимальном токе при номинальной нагрузке сопротивление М8, увеличивается 0ов, Рн (Ь, 11, О)) и 0,25 Рн (02, 1г, Ор). Величипри этом величина сопротивления РЭ12 ны Е иХс постоянны. приэтомсчитаем,что мала, так как Ur больше выходного напря- 20 синхронный реактанс Хс значительно больжения ИП410. В результате к ОУ2.2 прикла- ше активного сопротивления r фаз СМ1. дывается часть напряжения OB 2.1, Условием работы СМ1 с минимумом определяемая в основном коэффициентом фазного тока является совпадение по фазе трансформацииразделительноготрансфор- вектора тока! синхронной машины с вектоматора, входящего в состав РЭ12. С ростом 25 ром -Й, что иллюстрируется прямоугольнычастоты вращения происходит увеличение ми векторными треугольниками 0 — Е Ut

Upa, Upy, Ug в соответствии с зависимостью для номинальной нагрузки Р и 0-EoUz для (1), и, следовательно, выходных напряжений нагрузки 0,25 Р,,приведенными на фиг. Зб.

УМ4 (Up ), при этом угол О поддерживается Векторные диаграммы ДПР2, построенпостоянным, так как Оpy = const (см, зави- 30 ные для первых гармоник напряжения при

Upa Upa = const и двух значениях Upy приведены симость (2)). Исходя из характеристик СМ1 на фиг, За. и приводимого механизма в схеме ВД выби- Первоначально ДПР2 устанавливается рают такой коэффициент трансформации в такое положение, чтобы при отсутствии разделительного трансформатора, чтобы 35 напряжения на ОУ выходное напряжение обеспечивался угол О, необходимый для каждого усилителя мощности совпадало по развития требуемого (максимального) элек- фазе с соответствующей ЭДС (-Ео) синхронтромагнитного момента, ной машины.

По мере разгона СМ1 из-за влияния ре- В рассматриваемой схеме вентильного актансов и ЭДС СМ1, динамического момен- 40 двигателя выходное напряжение каждого та электропривода и с учетом механических УМ4 совпадает с фазой соответствующего характеристик приводимого механизма ток фазного напряжения ДПР2, а величина выпотребления УМ4становится меньше ограни- ходного напряжения каждого УМ4 (Up ) прочиваемого, а величина выходного сигнала порциональна величине соответствующего

ДТ13 меньше величины 0ь соответствую- 45 фазного напряжения ДПР2 (0д). Коэффицищей величине заданного тока потребления, К U ì при этом величина сопротивления М8 ста- Р g U новится такой же малой, как и величина Он выбирается таким, чтобы в режиме стасопротивления РЭ12, билизации скорости вектора 0 > (0>, Uq)

Дальнейший разгон происходит при 50 оканчивались на оси перпендикулярной максимальном напряжении питания СМ1, вектору -Ео (см, фиг. 36). Тогда при номиПри выходе на заданную частоту вращения нальной нагрузке Р, из векторов синхронвыходное напряжение ИП410 становится ной машины образуется прямоугольный больше, чем 0, величина сопротивления треугольник 0-kpUt (см. фиг. 36), подобный

РЭ12 увеличивается, а напряжение Upy 55 прямоугольнику. треугольнику из векторов уменьшается. Ug1

В соответствии с зависимостью (2) из- ДПР2 (00 . К на фиг, За), а, напРимеР

g меняется фаза выходных напряжений ДПР2 при нагрузке 0,25 Рн — прямоугольный треуи, следовательно, фаза выходных напряже- гольник 0-EpUg (см. фиг, 36), подобный пря1809504

20

35

50

55 моугольнику треугольнику из векторов

ДПР2 (OUQB - — на фиг, 3a), при этом на

Оц

Я фиг. Зб вектора тока 1,1г электрическоф машины совпадают по фазе с вектором.-Ep и, следовательно, синхронная машина в широком диапазоне нагрузок работает в режиме минимума тока потребления, Для изменения уровня стабилизируемой частоты вращения нужно пропорционально изменять Ur и Ог, В схеме, приведенной на фиг. 2, ток 0

2.2 датчика положения ротора 2 в течение половины периода протекает от вторичной обмотки, трансформатора Т через диоды

ЧД1, ЧД4, транзистор VT1 и резистор R2.

Диоды ЧД2, ЧДЗ в это время закрыты. В течение другого полупериода ток ОУ 2.2 датчика положения ротора 2 протекает от вторичной обмотки трансформатора Т через диоды ЧД2, ЧДЗ, транзистор VT1 и резистор

R2, при этом диоды ЧД1, ЧД4 закрыты.

Транзистор VT1 представляет собой регулируемое активное сопротивление, на котором падает часть напряжения вторичной обмотки трансформатора Т.

При пуске транзистор VT1 находится в режиме насыщения. Ток базы этого транзистора в основном определяется напряжением источника внутренних нужд U«и величинами резисторов R1, R2. При стабилизации частоты вращения транзистор ЧТ1 от сигнала ЭС11 переходит в активную область работы и его сопротивление увеличивается, а напряжение Upy уменьшается.

Резистор R2 служит для стабилизации рабочей точки транзистора VT1, Таким образом представленная схема являетСя практически линейным регулятором напряжения, в котором обеспечивается обратная зависимость выход — управление (между напряжением Upy и выходным напряжением

ЭС11). Эта зависимость реализуется за счет изменения величины выходного сопротивления транзистора VT1 при изменении выходного напряжения ЭС11.

Модулятор М8 может быть выполнен, например, по схеме фиг. 2, в которой в диагонали переменного тока моста вместо трансформатора Т включена одна из выходных обмоток трансформатора ИОН7.

ИПЧ10 может быть выполнен на основе одновибратора с фиксированной длительностью импульса.

Использование предлагаемого технического решения обеспечит улучшение энергетических показателей ВД, расширит его функциональные возможности и область применения.

Формула изобретения

Вентильный электродвигатель, содержащий и-фазную синхронную машину с воз-. буждением от постоянных магнитов, индукционный аналоговый датчик положения ротора с и-фазной выходной обмоткой и с обмотками возбуждения и управления, смещенными в пространстве на 90 эл.град, относительно друг друга, источник опорных напряжений, модулятор, блок коррекции и и каналов питания обмоток статора синхронной машины, каждый из которых включает в себя фазочувствительный выпрямитель и усилитель мощности, при этом в каждом канале выход фазочувствительного выпрямителя через усилитель мощности связан с соответствующей обмоткой статора синхронной машины, один из входов фазочувствительного выпрямителя соединен с соответствующей выходной обмоткой датчика положения ротора, а другой — с соответствующим выходом источника опорных напряжений, один из выходов которого через модулятор связан с обмоткой возбужде- ния датчика положения ротора, обмотка управления которого соединена с выходом блока коррекции, вход которого соединен с выходом модулятора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей вентильного электродвигателя за счет регулирования как угла опережения О, так и напряжения питания синхронной машины, в него введены первый элемент сравнения и датчик тока, включенный в цепь питания усилителей мощности, выход которого подключен к управляющему входу модулятора через первый элемент сравнения, один из входов которого связан с источником задания тока потребления усилителей мощности, блок коррекции выполнен из измерительного преобразователя частоты в напряжение, второго элемента сравнения и регулирующего элемента, выход которого образует выход блока коррекции, вход которого соединен с одним из входов регулирующего элемента, другой вход которого связан с выходом второго элемента сравнения, один из входов которого связан с источником заданной частоты вращения, а другой — с выходом измерительного преобразователя частоты в напряжение, вход которого соединен с выходом одного из фазочувствительных выпрямителей, при этом регулирующий элемент и модулятор выполнены в виде линейных регуляторов напряжения с обратной зависимостью выход — управление.

1809504

9СУУ Фиг,Z

1809504

Составитель В,Крылов

Техред М,Моргентал Корректор T,BÿùKoaäö

Редактор

Заказ 1289 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