Способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока

 

Использование: в вентильных электроприводах постоянного тока. Сущность: в способе управления вентильным электродвигателем изменение угла установки датчика положения ротора синхронной машины осуществляет в зависимости от момента на валу ее ротора и амплитуды напряжения, подводимого к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для повышения мощности, развиваемой синхронной машиной вентильного электродвигателя постоянного тока.

Известен способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (1), заключающийся в том, что измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и его частоту вращения и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанных измеренных параметров и угла установки датчика положения ротора по закону U_i=Usin(pφ+(i-1) +β) где U - напряжение питания синхронной машины; р - число пар полюсов ротора синхронной машины; ϕ- угол положения ротора синхронной машины; n - число фаз якорной обмотки синхронной машины; β- угол установки датчика положения ротора.

Одновременно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора в зависимости от частоты вращения ротора синхронной машины и амплитуды напряжения, подводимого к якорным обмоткам синхронной машины. Недостатком его является низкая мощность, развиваемая синхронной машиной.

Известен также способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (2), заключающийся в том, что угол установки датчика положения ротора изменяют по определенному закону в зависимости от частоты вращения ротора синхронной машины. Недостаток обоих способов состоит в необходимости измерения частоты вращения ротора, что для многополюсных высокомоментных вентильных электроприводов с низкой частотой вращения ротора синхронной машины, какими являются, например, безредукторные приводы степеней подвижности манипуляторов, представляет сложно реализуемую процедуру. Неточность измерения низкой частоты вращения приводит к снижению мощности, развиваемой синхронной машиной, вследствие неточного вычисления угла установки датчика положения ротора.

Наиболее близким к предлагаемому является способ управления вентильным электродвигателем постоянного тока (2), заключающийся в том, что угол установки датчика положения ротора изменяют по определенному закону в зависимости от тока, потребляемого синхронной машиной от источника питания, и частоты вращения ротора. Его недостаток - низкая мощность, развиваемая синхронной машиной.

Целью изобретения является повышение мощности, развиваемой синхронной машиной вентильного электродвигателя постоянного тока. Указанная цель достигается тем, что в способе управления вентильным электродвигателем постоянного тока с датчиком положения ротора на валу его синхронной машины, при котором измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанного измеренного параметра и угла установки датчика положения ротора по закону _+β) и дополнительно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора одновременно с целью повышения мощности, развиваемой синхронной машиной, измеряют момент на валу синхронной машины и указанное изменение угла установки датчика положения ротора осуществляют по закону, удовлетворяющему соотношению cos(β)sin(β)+T_эW_х =T_эW_хcos(β) причем, из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наибольшему при положительном напряжении питания и наименьшему при отрицательном напряжении питания значению выражения
где U - напряжение питания синхронной машины;
р - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ- угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β - угол установки датчика положения ротора;
T_э=p - электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки;
W_x - скорость холостого хода синхронной машины при β = 0;
М - момент на валу синхронной машины;
М_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На чертеже и в тексте описания приняты следующие сокращения и обозначения:
U₁ - напряжение, подводимое к i-ой фазе якорной обмотки синхронной машины;
U - напряжение питания синхронной машины;
р - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ- угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β - угол установки датчика положения ротора;
- электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки;
W_x - скорость холостого хода синхронной машины при β= 0;
М - момент на валу синхронной машины;
М_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины;
УП - устройство перемножения;
УМ - усилитель мощности;
СМ - синхронная машина;
ПЗУ - постоянное запоминающее устройство;
ДПР - датчик положения ротора синхронной машины;
ДМ - датчик момента на валу синхронной машины;
АУ - арифметическое устройство.

Сущность предлагаемого способа управления вентильным электродвигателем постоянного тока заключается в следующем. Известно, что механические характеристики вентильного электродвигателя постоянного тока описываются соотношением (2)
WT²_э+1-T_эW_х sin(β) + -cos(β)=0
Решив квадратное уравнение относительно W, получим зависимость частоты вращения ротора СМ от напряжения питания, момента на валу и угла установки датчика положения ротора
_W=
Знак минус перед квадратным корнем соответствует участку неустойчивого состояния на механической характеристике, поэтому в дальнейшем рассмотрении будем использовать перед квадратным корнем знак плюс.

Очевидно, что мощность, развиваемая СМ, будет максимальна, если частота вращения ротора при некотором моменте на валу также будет максимальной. Поэтому исследуем на максимум частоту вращения ротора как функцию угла установки датчика положения ротора, для чего продифференцируем по β и приравняем к нулю
=0
Проделав некоторые преобразования окончательно получим

Выполнив подстановку sin²( β) =1-cos²( β), можно преобразовать последнее соотношение к виду
cos⁴(β)+cos²(β)T²_эW²_х -1+2·T²_эW²_х +T²_эW²_х = 0
который представляет собой уравнение четвертой степени относительно cos(β ), решение которого известно. Следовательно, это уравнение может иметь четыре корня, поэтому из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наибольшему при положительном напряжении питания и наименьшему при отрицательном напряжении питания значению частоты вращения ротора СМ, которое определяется как

т. е. из нескольких локальных максимумов и минимумов частоты вращения ротора выбирается глобальный максимум при положительном напряжении питания и глобальный минимум при отрицательном напряжении питания.

Таким образом, при изменении угла установки датчика положения ротора по закону, удовлетворяющему предложенному соотношению, частота вращения ротора будет максимальной при заданном моменте на валу. Существенное отличие в предлагаемом способе управления состоит в том, что угол установки датчика положения ротора зависит как от напряжения питания СМ, так и от момента на ее валу.

Положительный эффект, обусловленный этим существенным отличием, по сравнению со способом-прототипом (2), заключается в повышении мощности, развиваемой СМ.

Устройство, при помощи которого может быть реализован предлагаемый способ управления, содержит УП1, первый вход которого служит входом управления, на который поступает сигнал, определяющий амплитуду напряжения, подводимого к фазам якорной обмотки, а выходы, количество которых определяется числом фаз якорной обмотки через УМ2 подключены к фазам якорной обмотки СМ3, на валу которой укреплены ДПР4 и ДМ5. Выход ДМ5 подключен к первому входу ПЗУ6, второй вход которого соединен с первым входом УП1, а выход подключен к первому входу АУ7, второй вход которого соединен с выходом ДПР4. Выход AУ 7 через ПЗУ8 подключен к вторым входам УП1.

Устройство на чертеже функционирует следующим образом. Угол ϕ положения ротора СМ3 и момент М на ее валу преобразуются в коды при помощи ДПР4 и ДМ5 соответственно. Код момента и код сигнала управления поступают на двухвходовое ПЗУ6, в котором записаны значения кода угла β установки датчика положения ротора, которые при измеренном значении момента М и задаваемом сигналом управления напряжении U обеспечат максимальную мощность, развиваемую СМ3. Т.е. в ПЗУ 6 записаны значения β , удовлетворяющие предлагаемому в изобретении соотношению. Код угла β поступает на АУ7, которое осуществляет операцию рϕ + β .

Таким образом, с выхода АУ7 на вход ПЗУ8 поступает код аргумента n гармонических функций, фазы которых сдвинуты на рад. С выхода ПЗУ8 коды гармонических функций поступают на УП1, где они перемножаются с кодом сигнала управления. Выходные сигналы УП1 усиливаются УМ2 и подаются на фазы якорной обмотки СМ3.

Следовательно, одновременно с изменением напряжения, подаваемого на фазы якорной обмотки в функции угла ϕ положения ротора и угла β установки датчика положения ротора, изменяется и сам угол β в функции момента М на валу СМ3 и напряжения питания U таким образом, что мощность, развиваемая СМ3 максимальна.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА с датчиком положения ротора на валу его синхронной машины, при котором измеряют угол положения ротора синхронной машины вентильного электродвигателя и подводимое к одной из фаз якорной обмотки синхронной машины напряжение изменяют в функции указанного измеренного параметра и угла установки датчика положения ротора по закону
U_i=Usin(pφ+(i-1) +β)
и дополнительно по определенному закону изменяют угол установки датчика положения ротора, отличающийся тем, что измеряют момент на валу синхронной машины и указанное изменение угла установки датчика положения ротора осуществляют по закону, удовлетворяющему соотношению
cos(β)sin(β)+T_эW_х =T_эW_хcos(β),
причем из всех значений угла установки датчика положения ротора, удовлетворяющих указанному соотношению, выбирают то, которое соответствует наибольшему при положительном напряжении питания и наименьшему при отрицательном напряжении питания значению выражения
,
где U - напряжение питания синхронной машины;
p - число пар полюсов ротора синхронной машины;
ϕ - угол положения ротора синхронной машины;
n - число фаз якорной обмотки синхронной машины;
β - угол установки датчика положения ротора;
T_э = pL/R - электромагнитная постоянная времени синхронной машины;
L и R - индуктивность и активное сопротивление фазы якорной обмотки соответственно;
W_х - скорость холостого хода синхронной машины при β = 0 ;
M - момент на валу синхронной машины;
M_п - пусковой момент синхронной машины;
U_н - номинальное напряжение питания синхронной машины.

РИСУНКИ

Рисунок 1