Вентильный электродвигатель

,12 19 3(50 Н 02 К 29 0 НОМИТЕТ СССРНИЙ И ОТНРЫТИЙ УДАРСТ 8 ЕНН ДЕЛАМ ИЗОБ ИЕ ИЭОБРЕТЕНИУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Ь,.с;у Н АВТОРСН лов,го по(72) В.И, Катаев, ВК. Лозенко, Л,В. Холмов и В,Ф. Шалагинов (53) 621.3 13. 13. 014. 2: 621. 382 (088. 8) (56) Патент США В 3643 143, кл. 3 18- 254, 1972.Авторское свидетельство СССР У 692014, кл. Н 02 К 29/02, 1977. (54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к области электротехники, а именно к вентильным электродвигателям, Цель изобретения - снижение пульсациимомента и частоты вращения вентильного электродвигателя (ВД); Электродвигатель содержит синхронную машину с трехфазной двухполюсной обмоткой с общим выводом 2 секций. Секции .обмотки якоря подключены к выходу 3 двухполупериодного преобразователя 4 частоты, выполненного Ъа управляемых ключах 5-10, Три вентиля 11-13 моста обратного тока выполнены управляемыми. ВД содержит датчик 14 положения ротора, который первым комплектом чувствительных элементов подключен через первый формирователь 16 уп-" равляющих сигналов к управляннцим цепям 23-28 ключей 5- 10 преобразователя 4 частоты, Устройство 43 взаимной блокировки подключено к управляющей цепи 44 первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам 45-47 вентилей 11-13 анодной группы моста обратного тока, Имеется также второе устройство 53 взаимной блокировки, второй Формирователь 58 управляющих сигнаинформационный вход 67 котородключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов датчика 14, смещенного относительно1259430 ехред Л.Сердюкова Корректор И. Муска едактор А. Шишкина аказ 5135/5 изводственно-полиграфическое пр т аго л. Проектная ВН КИПИ по 3035, ирак 631Государственногоелам изобретений иМосква, Ж, Рауш писное митета ССС крытий я наб дпервого комплекта на угол, равный76 геом.рад., имеется также третьеустройство 7 взаимной блокировкии широтно-импульсный модулятор 74.В данной схеме управления электродвигателем осуществляется чередова 1259430ние прямого. подключения секций к источнику питания с инверсным подключением следующей за предыдущей секции обмотки якоря, что соответствует уменьшению пульсаций вращающего момента. 1 з.п. Ф-лы, .9 ил.Чзобретение относится к электротехнике и может быть использовано,в электродриводах с вентильнымиэлектродвигателями.Цель изобретения - снижение пульсации момента и частоты вращениявентильного электродвигателя,На фиг. 1 изображена блок-схемавентильного электродвигателя с трехсекционной обмоткой якоря; на фиг. 2эпюры напряжений в узлах блок-схемы; на фиг. 3 и 4 - примеры выполненивкустройств взаимной блокировки;на Фиг. 5 и 6 - примеры выполнениявторого формирователя управляющихсигналов; на фиг. 7 - механическиехарактеристики вентнльного двигателя с изменяемой структурой коммутатора; на фиг. 8 - зависимостьИ Е (ис) для вентильного электродвигателя с изменяемой структуройкоммутатора; на фиг. 9 - условноеизображение пространственногорасположения намагничивающих силсекций обмотки якоря вентильногоэлектродвигателя.Вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1 с однойпарой полюсов и обмоткой якоря собщим выводом 2 трех ее секций. Дляданного двигателя нри описании угловых величин геометрические радианы совпадают е электрическими. Секции обмотки якоря подключены к выходу3 двухполупериодного преобразова. теля 4 частоты,.выполненного нашести управляемых ключах 5-10, образующих анодиую 5-7 и катодную 8-Огруппы но три управляемых ключа вкаждой, .с мостом обратного тока,три вентиля 11-13 одной из группкоторОго, например анодной выполнены управляемыми. Датчик 14 положения ротора вентильного электродвигателя выходом 15 первого комплекта чувствительных элементов подключенный к первому формирователю 16 управляющих сигналов с шестью каналами 17-22,выполненному на периодеповторяемости 25 геом. рад. длительностью выходного сигнала (выходной характеристикой) в каждомканале, равной2%10 Ч = --- геом.рад.,3каналы подключены к управляющимцепям 23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты.Первые 29-31 и вторые 32-34 выводы ключей, соответственно аноднойи катодной групп преобразователя 4объединены в своих группах и образуют соответственно первый 35 и 20 второй 36 общие выводы преобразователя 4 частоты, служащие для подключения к источнику 37 питания имежду которыми включены последовательно соединенные первые дополни тельные управляемый ключ 38 и вентиль39, к объединенным выводам 40 и 41которых подключен общий вывод 2трез секций обмотки якоря, Причемвторой вывод 42 первого дополнитель-: 30 ного ключа 38 соединен с вторымобщим выводом 36 преобразователя 4частоты, а превый дополнительныйвентиль 39 включен встречно по отно-.шению к источнику 37 питания. Первоеустройство 43 взаимной блокировкиподключено к управляющей цепи 44первого дополнительного управляемого ключа 38 и к управляющим выводам45-47 вентилей 11-13 анодной группы 40 моста обратного тока.Вентильный электродвигатель такжесодержит управляемые вентили 48-50катодной группы моста обратного тока, вторые дополнительные управляемьй ключ 51 и вентиль 52, включен 1259430 4ные встречно-параллельно соответственно первым дополнительным вентилю 39 и управляемому ключу 38, второе устройство 53 взаимной блоки,. ровки, подключенное к управляющей це. пи 54 второго дополнительного ключа, 51 и к управляющий цепям 55-57 вентилей катодной группы моста обратного тока. Имеется второй формирователь 58 управляющих сигналов 10 с восьмью каналами 59-66, выполненный с выходной характеристикой видаЧ = в ,геом.рад.на периоде повторяе 1 Г315 мости в каждом из первых шести каналов 2 Ггеом.рад.,а в каналах 65 и 66 на периоде повторяемости 21 Т/3 геом.рад.Информационный вход 67 формирователя 58 подключен к выходу 68 второго комплекта чувствительных элементов 20 датчика 14 положения ротора. Второй комплект чувствительных элементов датчика 14 смещен относительно первого на угол %/6 геом.рад.Каналы 59-64 Формирователя 5825 подключены ж управляющим цепям23-28 ключей 5-10 преобразователя 4 частоты, а каналы 65 и 66 - к .входам 69 и 70 первого 43 и второго 53 устройства взаимной блокировки. 30 Третье устройство 71 взаимной блокировки подключено к управляющим входам 72 и 73 первого 16 и второго 58 формирователей управляющих сигналов.Электродвигатель снабжен широтно импульсным модулятором 74, включенным на вход 75 третьего устройства 71 взаимной блокировки.Конструктивно датчик 14 положе 40ния ротора может быть выполнен по любой известной схеме, например трансформаторный с подмагничиванием илн емкостной,В выходньх каналах каждого комплекта чувствительных элементов45 датчика положения ротора формируются сигналы о положении ротора синхронной машины 1, смещенные в данном случае относительно друг друга на 2 Г/3 геом.рад. Длительность 50 каждого сигнала соотвествует угловому повороту ротора на уголГ , геом.рад.Цепи 26-28 управления ключей 8-10 катодной группы ключей пре образователя 4 частоты и вход первос" го устройства 43 взаимной блокировки либо цепи 23-25 .управления ключей 5-7 анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и вход 69второго устройства 53 взаимной блокировки могут быть подключены к выходудополнитечьногоширотно-импульсного модулятора (не показан).Устройства 43, 53 и 71 взаимнойблокировки могут быть реализованыпо однотипной принципиальной схеме.Устройство взаимной блокировкиФормирует на двух своих выходахсигналы взаимно противоположныхуровней, причем уровень выходногосигнала, снимаемого с одного извыходов устройства взаимной блокировки, всегда совпадает с уровнемвходного сигнала., Примеры возможного выполнения устройств блокировки .представлены на фиг. 3 и 4Устройство, изображенное на Фиг, 3, содержит комплиментарную пару тран"зисторов 76 и 77, эмиттеры которыхявляются выходами устройства 71взаимной блокировки. Коллекторы78 и 79 транзисторов 76 и 77 подклю"чены к разнополярным клеммам источни.ка питания, а базы 80 и 81 объединены и образуют вход 75 устройства71 блокировки. На фиг. 4 показаноустройство 71, состоящее из двухтранзисторных усилителей на транзис-.торах 82 и 83, коллекторные выводыкоторых являются выходами устройства71, а управляющие выводы 84 и 85которых подключены соответственнок входу и выходу логического инвертора 85, вход 75 которого явля-,ется входом устройства 71.Первый формирователь 16 управляю"щих сигналов осуществляет Формирова".ние иэ сигналов датчика 14 положения ротора сигналов на управлениедвухполупериодным подключениемобмоток якоря синхронной машины 1к источнику 37 питания,Второй формирователь 58 управляющих сигналов формирует на своих выходах 59-65 такую последовательность управляющих сигналов ключами 5-10 преобразователя 4 частоты и устройствами 43 и 53 взаимной блокировки, которая обеспечивает поочередное подключение непосредственно каждой секции обмотки якоря к источнику 37 питания как в прямом, так и в инверсном направлениях, с целью создания однонаправленного электромагнитного момента.3 12594Формирователь 58 можее иметь раз личные Формы выполнения. Формирователь 58 (фиг. 5) содержит депяфратор 86, входы 87"89 трех младшихразрядон которого являЮтся информационным входом 67 Формирователя 58, а вход 90 старшего разряда дешифратора 58 совместно с управляющим входом 91 схемы "Запрет" 92 образуют управляющий10 вход 73 Формирователя 58. Выходы 59-64 дешифратора являются первьюи шестью выходами Формирователя 58, а выходы 59-61 подключены к входам логического сумматора 93, прямой выход 66 которого является восьмым выходом Формирователя 58, а инверсный выход сумматора 93 подключен к информационному выходу схемы "Запрет" 92, выход 65 которой яв" ляется седьмым выходом Формирователя, 58.Для вентильного электродвигателя с шестиканальным датчиком положения ротора на периоде повторяемости 211/р геом.рад, может быть использован Формирователь 58. (Фиг, 6), состоящий из первых вести схемЗапрет 94-999 информационные входы 100-105 которых являются30 информационным входом 67 Формирова-, теля 58. Входы 101, 103 и 105 схем",.Запрет" соединены с входами логического сумматора 106 инверсный и прямой выходы которого под-, ключень 1 к информационным входам седьмой 107 и восьмой 108 схем "Запрет", управляющие входы .схем 94-99, 107 и 108 объединены и образуют управляющий вход Формирователя 58. 40На Фиг. 7 изображена механичес", кая характеристика 109, соответствующая работе двигателя с двухполупериодным преобразователем 4 частоты, управляющие сигналы на ключи 5-10 которого поступают с выходов 17-22 первого Формирователя управляющих сигналов при разомкнутом первом 38и втором 51 дополнительных управляемых ключах и заблокированном50втором Формирователе 58 управляющих сигналов, и механическая характеристика 110, соответствующая работе двигателя, когда. к клеммам источ. ника питания подсоединяется непосредственно каждая отдельная секция обмотки якоря, при этом заблокирован первый формирователь,16 управ 30 Ьляющих сигналов, а управляющиесигналы на ключи 5-10 преобразователя 4 частоты и входы первого 43и второго 53 устройств блокировкипоступают с выходов 59-66 второгоФормирователя 58 управляющих сигналов.На определенном интервале временитретьим устройством 71 взаимнойблокировки заблокирован второйФормирователь 58 управляющих сигналов. Это значит, что на входахпервых двух устройств 43 и 53 блокировки отсутствуют управляющиесигналы, чем обеспечивается раэомкнутое состояние дополнительныхключей 38 и 51 и включеннное состояние управляемых вентилей моста обратного тока преобразователя 4 частоты. Секции якорной обмотки синхронной машины 1 получают двухполу-периодное питание от источника 37постоянного тока. управление ключами 5-10 преобразователя 4 частотыосуществляется по сигналам 0Н 1 1 зБ, , Б, с выхода 15 первогокомглекта чувствительных элементовдатчика 14 положения ротора, преобразованным н первом формирователе 16 управляющих сигналов,В этом режиме вентильный электродвигатель работает на интерналевремени С 2 Регулированиечастоты вращения может осуществляться по сигналам дополнительногоширотно-импульсного модулятора,взаимодействующего, например, сключами 8-10 катодной группы ключей преобразователя 4 частоты. Вентильный электродвигатель имеет жесткую механическую характеристику 109фиг. 7), поскольку при достаточныхнеличинах частоты дополнительногоширотно-импульсного модулятора ииндуктинности обмотки якоря токднигателя не претерпевает разрывов.Вентили 39 н 52 не оказывают влияния на работу двигателя.юьИзменение структуры устройстванентильного электродвигателя осуществляется при изменении логического уровня Б, на входе 75 третьего устройства /1 взаимной блокировкив момент времени с за счет блоки 2ронки первого Формирователя 16управляющих сигналов и разблокировкивторого Формирователя 58 управляюпдх сигналов.12594Вентильный электродвигатель на интервале времени Г- сэ работает со структурой коммутатора, обеспечивающей поочередное подключение каждой отдельной секции якоря непосредственно к клеммам источника 37 питания. Управляющие сигналы П з -П для вентильного электродвигателя показаны сплошной линией. Для подключения какой-либо секции обмотки 10 якоря в прямом направлении открывается соответствующий ключ, например ключ 5, анодной группы ключей преобразователя 4 частоты и первый дополнительный управляемый 15 ключ 38. Для подключения секции обмотки якоря в обратном направлении открывается соответствующий ключ, например ключ 9, катодной группы ключей преобразователя частоты и 20 второй дополнительный управляемый ключ 51.На фиг. 9 изображенопространственное расположение намагничивающих сил секций А,В,С обмотки яко ря синхронной машины 1 предлагаемого вентильного электродвигателя. Векторы Р, Г , Р намагничивающих сил соответствуют прямому включению соответствующих секций А,В, С (фиг. 1) синхронной машины 1, а векторы Рф д Ю Г , Г - инверсному включению этих же секций, Для создания непрерывного вращающего электромагнитного момента прн непосредственном пооче 35 редном подключении к источнику питания каждой секции обмотки якоря необходимо чередовать прямое подклвчение секций обмотки якоря с инверсным подключением следующей40 за ней секции обмотки якоря, в зависимости от направления вращения. Переключая таким образом секции обмотки якоря, можно получить непрерывный вращающий электромагнитный момент определенного знака(штри 45 ховьиж лиииями показаны угловые положения ротора в моменты переключения секций).Значения электромагнитного момента и ФУнкции времени показаны на фиг.8.Регулирование частоты вращения прн работе с одной определенной ,структурой коммутатора может осу.ществляться по сигналам дополнительного широтно-импульсного модулятора, взаимодействующего,в случае: прямого включения секции обмотки якоря, с первым дополнительным уп 3 О вравляемым ключом 38, а в случае инверсного включения секции - с соответствующим ключом из катодной группы ключей преобразователя 4 частоты.Использование двух комплектов чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, сдвинутых относительно друг друга на угол Г/2 рш, определяется необходимостью обеспечить при раздельном питании секций электромагнитный момент таким, чтобы в начале и в конце межкомму-. тационного интервала каждая секция якорной обмотки создавала одинаковый электромагнитный момент. Использование же в обоих режимах работы вентильного электродвигателя только одного комплекта чувствительных элементов датчика 14 положения ротора, особенно в двигателях с беспаэовой конструкцией якоря, а также с обмотками якоря, обладающими малыми индуктивностями, указанное условие не обеспечивает.Управление третьим устройством 71заимной блокировки осуществляется т широтно-импульсного модулятора 74. Задавая различные законы изменения величины коэффициента заполнения импульсов модулятора 74, можно получить различные механические характеристики. Кроме того, управление третьим устройством взаимной блокировки можно осуществлять вручную.Работа вентильного электродвигателя на интервале времени й, - й (фиг,2) сопровождается рекуперацией энергии, запасенной в индуктивности отключаемой секции обмотки якоря через соответсвующие дополнительный вентиль например первый, и вентиль незаблокированной катодной группы вентилей моста обратного тока преобразователя 4 частоты, в источник 37 питания. Во время рекуперации энергии подключ 0 е 1 ая секция получает питание от отключаемой секции обмотки якоря.Возможность протекания сквозных токов во время переключения первого 38 и второго 51 дополнительных управляемьм ключей исключается тем, что при достаточных индуктивностях секций обмотки синхронной машины 1 в момент отключения в секции возникает реактивная ЭДС, по величине превышающая напряжение источника питания и подключенная по отношению к источнику встречно-параллельно.Этим обуславливается протекание токарекуперации н источник постоянноготока. Этот ток проходит через допол"нительный вентиль, включенный встречно-параллельно вновь открываемомудополнительному управляемому ключу,и закрынэет его, создавая падениенапряжения на дополнительном вентиле, приложенное встречно коллекторно-эмиттерному переходу этого управляемого ключа на время рекуперацииэнергии в источник. Таким образомосуществляется задержка на включение открываемого дополнительногоуправляемого ключа,Формула изобретения,1,Вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с числом пар полюсов р и обмоткой якоря с общим выводом щ ее секций, которые подключены к выходу двухполупериодно. го преобразователя частоты на 2 тв управляемых ключах, образующих анодную и катодную группы по в управляемых ключей н каждой, с мостом обратного тока, щ вентилей одной Иэ групп которого, например анодной, Выполнены управляемыми, и датчик положения ротора, выход первого комплекта.чувствительнык элементов которого соединен с информационным вхедом первого Формирователя управляющих сигналов с 2 ш выходными каналами, выполненного с возможностью создания на периоде повторяемости 26 /р выходного сигнала длительностью,равной в каждом канале21 Г 2 Е( - -(1 +А)р 1 л рйгде ь - коэфФициент перекрытия, нодключенныМи к управляющим цепям ключей двухполупериодного преобраэо . вателя частоты, первые и вторые выводы ключей, соответственно анодной и катодной групп которого объединены в своих группах и обравувт соответственно первый и второйобщие выводы двухполупериодногопреобразователя частоты, служащие для подключения к источнику питанияи между которыми включены последовательно соединенные первые дополнительно управляемьй ключ и вентиль,Ук объединенным вьводам которых под ключен общий вывод ш секций обмоткиякеря, причем второй вывод первогодополнительного ключа соединен с вторым общим выводом днухполупериодного преобразователя частоты, апервый дополнительный вентиль подключен встречно по отношению к источнику питания, первое устройство взаимной блокировки, подключеннное к управляющим цепям первого дополнительного управляемого ключа ивентилей анодной группы моста обратного тока, о т л и ч а ю щ и й - с я тем, что, с цЕлью сниженияпульсации вращающего момента, он снабжен вторым Формирователем управляющих сигналов с управляющим иинФормационным входами, вторыми управляемым ключом и вентилем, вторым и третьим устройствами взаимной блог кировки, первЫй формирователь управ ляющих сигналон снабжен управляющим входом, вентили катодной группы моста обратного тока выполнены уп-равляемыми, датчик положения ротора выполнен с вторым комплектом чувствительных элементов, сдвинутым относительно первого на угол, равныйи /2 рв, вторые дополнительные ключи вентиль подключены встречно параллельно соответственно первому дополнительному вентилю и управляемомуключу, второе устройство взаимнойблокировки выходом подключено куправляющим цепям второго дополнительного ключа и вентилей катоднойгруппы моста обратного тока, второйФормирователь управляющих сигналов 35выполнен с 2 ш + 1) выходами - каналами с возможностью создания н каж.дом канале ныходиого сигнала дли 11тельностью Ч = - на периоде2ршповторяемости, равной в каждомиэ первых 2 ш каналов 2 Г /р,а н остальных каналах 2 И /рш информационный вход второго Формироват теля управляющих сигналов подключен к выходу второго комплекта чувствительных элементов датчика положения ротора, первые 2 щ каналов Формирователя подключены к упранляющим цепям ключей днухполупериодного лреобразонателя частоты, а остальные каналы -входам первого и второго устройстввзаимной блокировки, выход третьего устройства взаимной блокировкиподключен к управляющим входам первого и второго Форьпронателей управляющих сигналов.12, Электродвигатель по п. 1,о т л и ч а в щ и й с я тем, чтоснабжен импульсным модулятооом. 1259430 2выход которого связан с входомтретьего устройства взаимной блокировки.