Управляемый вентильный электродвигатель

1410212 авитель А. Иваноед М.Ходанич Корректор Э. Лончаков едактор Ю, Серед е Заказ 3492/ изводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул к Тираж 665 ВНИИПИ Государствен по делам изобрете 3035, Москва, Ж, .. Подписноеого комитета СССРий и открытийаушская наб., д, 4/5Изобретение относится к электротехнике, а именно к специальным электрическим машинам и может быть испо.ьзовано в составе высококачественных систем автоматизирова.нного электро р ив ода.Целью изобретения является повы- ение коэффициента использования двиателя и равномерности частоты вращеия, уменьшения пульсаций мгновенноо значения электромагнитного момен- а в режиме импульсного ограничения ока.На фиг. 1 изображена блок-схема редлагаемого управляемого вентильноо электродвигателя; на. Фиг, 2 - элек рическая схема одного канала ревера на Фиг, 3 - конструкция датчикал оложения; на Фиг, 4 - угловые диагаммы датчика положения ротора; на иг. 5 - электрическая схема дешифриующего устройства; на Фиг. 6 - элекрическая схема релейного регулятора Фока; на Фиг 7 - временные диаграммы изменений токов и ЭДС секциях якорной обмотки", на Фиг, 8 - 10 - эквивалентные схемы силовой части электродвиателя для режима динамического торожения, для процесса коммутации, я двигательного режима.Управляемый вентильный электродвиатель содержит трехфазную синхронную лектрическую машину 1, датчик 2 поожения ротора, транзисторный .коммутатор 3,. состоящий из трех ветвей, 6 бразованньх каждая двумя последовательно соединенными транзисторами 4- 9, шунтированными обратными диодами., й подключенных параллельно между .первой и второй шинами цепи питания постоянного напряжения, а общей точкой транзисторов каждая ветвь подключена . к одной из секций якорной обмотки, Датчик 2 положения ротора соединен с своими выходами с управляющими входами транзисторов коммутатора 3 через формирователь 10 сигналов управления, содержащий трехканальный реверсор 11- 13 с каналами и инвертором 14 и шесть логических элементов 2 И 15-20, первые входы которьх соединены с,выходаь 1 и реверсора, а вторые входы объединеНы в две управляющие цепи транзисторный коммутатор 3 через три резистивных датчка 21-23 тока подключен к соотВетствующей шине источника питания, Вентильныйэлектродвигатель содеряит релейный регулятор 24 тока, подключенный одним выходом к управляющему входу формирователя 10 сигналовуправления, а первым из двух .входов - 5, к задающему блоку 25, Дешифратор 26,информационными входами подключенныйк выходу Формирователю 10, образованному выходами логических элементов2 И 15-20. Сигнальные входы дешифра тора подключены к датчикам 2 1-23 тока, а выходом дешифратор 26 подключен к второму входу регулятора 24тока. Дополнительно управляемый вентильный электродвигатель содержит 15 три дифференциатора 27-29 логическиеэлементы 3 ИЛИ-НЕ 30, 2 ИЛИ-НЕ 31,2 ИЛИ 32, "ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ" 33, инвертирующий усилитель 34, компаратор 35, транзисторный ключ 36, и 20, КС-цепь 37 с конденсатором 38 и резистором 39, соединенных между собойпоследовательноВходы дифференциаторов 27-29 подключены к вторым входам реверсоров 11 - 13 соответствующих1каналов формирователя,10 сигналовуправления, а выходы дифференциаторов27-29 подключены к входам логическо"го элемента 3 ИЛИ-НЕ 30. Выход логического элемента 30 подключен к одному из .входов логического элемента2 ИЛИ-НЕ 31, второй вход которогоподключен к выходу логического элемента "ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ" 33, входьг которого подключены к выходам релейного регулятора 24 тока, Последовательная КС-цепь. 37 включена между источником положительного напряжения иобщей шиной, при этом средняя точкаКС-цепи 37 подключена к инверсному 40 входу компаратора 35, Прямой входкомпаратора 35 подключен к выходу дешифратора 26 через инвертирующий усилитель 34, а выход компаратора 35подключен к одному из входов логического элемента 2 ИЛИ 32, включенногопо второму входу и выходу между однимиз выходов релейного регулятора 24тока, и одним из управляющих входовформирователя 10 сигналов управления.Транзисторный ключ 36 коммутационными выводами подключен параллельноконденсатору 38 КС-цепи 37, а управляющим выводом - к выходу логического элемента 2 ИЛИ-НЕ 31.Дешифратор 26 (фиг, 5) служит длявыделения модуля тока синхронной машины 1 и включает в себя первый 40и второй 41 суммирующие усилителисоответственно с тремя и четырьмявходами, четыре быстродействующих ключа 42-45 и логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 46, выход каждого из датчиков 21-23 тока подключен.к одному из5 входов суммирующих усилителей 40 и 41 к второму - через ключ, а к первому - непосредственно, выход первого усилителя 40 соединен с четвертым входом второго усилителя 41 через четвертый ключ 45, управляющий вход каждого из трех первых ключей 42-44 соединен с управляющим входом одного из транзисторов коммутатора 3, соединенного с датчиком тока, а управляющий вход 15 четвертого ключа 45 связан с управляющими входами транзисторов 5, 7 и 9 через логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 46.фФормирователь 10 сигналов управления предназначен для обработки вы ходных сигналовдатчика 2, Противофазные сигналы "а" и "а" датчика 2 через реверсор 11 (фиг, 2) поступают. на первые входы логических элементов 2 И 15 и 16, а выходы последних непос редственно или через промежуточные: усилители. соединены с управляющими цепями транзисторов 8 и 9 соответственно. Вторые входы логических схем 2 И 15-20 объединены в две управляющие 30 цепи, первая из которых подключена к второму выходу регулятора 24 тока, а вторая - к логическому элементу 32, Регулятор 24 тока (фиг,б) выполнен по схеме типа ДВОЙНОЙ ТОКОВЫЙ КОРИДОР и .состоит иэ двух операционных усилителей 47 и 48 охваченных положительной обратной связью и выполненных на резисторах 49 и 50.На фиг. 4 приняты следующие усло 40 вия обозначения: Чд , Ф, - характер- ные угловые положения сигнального сектора; "Ь" - направление вращения сигнального сектора датчика 2,На фиг7 приняты обозначения: 1 А, 1, 1 - мгновенные значения токов в секциях синхронной машины 1; е 4, е, е - мгновенные значения ЭДС в секциях в 1 - амплитуда пульсацийи50 тока в процессе регулирования; Б напряжение .на конденсаторе 38 КС-цепи 37; П - напряжение на выходе инвертирующего усилителя 34; Пз напряжение на выходе логического,элемента 3 ИЛИ-НЕ 30; Б- напряжение на выходе компаратора 35; ,-момент времени начала процесса коммутации; С - момент времени окончания про- й цесса коммутации; л 1: - время коммутации.Управляемый вентильный электродвигатель работает следующим образом.Исходное положение Ч сигнального сектора относительно обоймы с чувствительными элементами показано на фиг. 3. Рассмотрим случай подачи на вход управления формирователя 10 сигналов управления нулевого сигнала и задания положительного напряжения на втором входе регулятора 24 тока посредством задающего устройства 25. При указанном положении сигнального сектора на выходах чувствительных элементов датчика 2 появляются единичные сигналы "а" и "с" (фиг, 3)Единичные сигналы возбужденных элементов о с по цепям связи проходят , без изменения через реверсоры 11 и 13 формирователя 10 и поступают на первые входы логических" элементов 15 и 20. Одновременно под воздействием положительного напряжения П задающего устройства 25, операционные усилители 47 и 48 регулятора 24 тока переводятся в единичное состояние по их выходам. Единичные сигналы с выхода усилителя 47 через логический элемент 2 ИЛИ 32 поступают по первой управляющей цепи на вторые входы ло гических элементов 2 И 16, 18 и 20, а с выхода усилителя 48 непосредственно по второй управляющей цепи поступают на вторые входы логических элементов 2 И 15, 17 и 18 формирователя 10 сигналов управления и разрешают . прохождение сигналов с первых входов логических элементов 15-20 на выходы без изменений. В данном случае единичные сигналы "о" и "с" появляют ся на выходах логических элементов 15 и 20 и поступают на управлянвцие входы транзисторов 9 и 4, коммутатора 3 и подаются на вход дешифратора 26, в котором под действием единичного сигнала "а" и нулевых сигналов Ъ и с (фиг. 3) замыкается быстродействфующий ключ 42, подключая выход резистивного датчика 23 тока к первому входу суммирующего усилителя 41. Остальные входы усилителя обесточены.При открытых транзисторах 9 и 4 коммутатора напряжение источника питания Н прикладывается к фазам С и А якорной обмотки электрической машины 1, Коммутатор 3 переходит в со 1410212стояние определяемое как двигательУ ный режим (Д). Под действием напряжения источника питания П ток про 1 екает по цели: первая шина источника питания, открытый транзистор 4, эа С, фаза А, открытый транзисторрезистивный датчик 23 тока, втораяна источника питания, и начинает линейно возрастать, Напряжение Бопорциональное току в этих фазах, нимается е резистивного датчика 23 ока и через замкнутый ключ 42 подается на первый вход суммирующего усиителя 41, Усиленный сигнал Б с в хода,усилителя 41 поступает на первый вход регулятора 24 тока, При прегашении напряжения Б заданной веичины усилитель 47 йереключится.На его выходе единичный сигнал сменяется. нулевым. При этом усилитель 48 сохраняет свое состояние по выхоу неизменным, ввиду наличия смещенияерез резистор 49. Состояние усилите 47 является устойчивым благодаряличию положительной обратной свчзи, через резистор 50.Нулевой сигнал с выхода усилителя 47 поступает на один из входов логи- еского элемента 2 ИЛИ 32.Так как в данный момент времени е происходит изменения уровня выодных сигналов датчика и соответтвенно выходных сигналов реверсоров 11-13, то на выходах дифференциато.ов 27-29 присутствуют нулевые сигналы. Нулевые сигналы поступают на входи логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 30 в удерживают его в единичном состояНии по выходу. Единичным сигналом с выхода последнего логический элемент 2 ИЛИ-НЕ 31 удерживается в нулевом состоянии по выходу, В результате транзисторный ключ 36 закрыт, а конденса" чор 38 заряжен до напряжения источника питания. Напряжение положительной Полярности с конденсатора подается на инвертирующий вход компаратора 35. Йа второй вход компаратора 35 подается инвертированное напряжение +01 Выбором величины источника питания , ФП обеспечивается более высокий уровень сигнала:на инвертирующем входе компаратора 35, чем на прямом. ПоэтоМу с выхода компаратора 35 поступает Нулевой сигнал на второй вход логи 1 еского элемента 2 ИЛИ 32,В результате нулевой сигнал с выхода усилителя 47 регулятора 24 тока5 1 О без изменений проходит через логический элемент 2 ИЛИ 32 на вторую управляющую цепь. Этим сигналом запрещается прохождение единичного сигнала С" через логический элемент 20 формирователя 10 сигналов управления на управляющий вход транзистора 4 коммутатора. Транзистор 4 закрывается, Силовая схема изменяется, принимая состояние, называемого режима динамического торможения (ДТ). Ток фаз С, А замыкается по цепи: силовой ключ 9,два резистивных датчика 21 и 23 тока 15 диод, шунтирующий транзистор 5 в обратном направлении и начинает уменьшаться по величине для случая двигательного режима, Переключение усилителя 47 не приводит к изменению сос 20 тояния дешифратора 26. Поэтому навход регулятора 24 тока подается только сигнал Б, с резистивного датчика 23 тока. Через некоторый промежуток времени ток снижается до тако 25 го уровня, при котором усилитель 47.переходит в состояние с единичнымуровнем напряжения на выходе. Силоваясхема опять принимает состояние Д.Далее процессы повторяются в описанЗО ной вьппе последовательности, В результате ток в фазах А и С якорной обмотки ограничивается на уровне заданного с пульсацией, пропорциональной глубине положительной обратнойЗ 5 связи усилителя 47. При взаимодействии тока в фазах А и С якорной обмотки с полем индуктора возникает вращающий момент и ротор синхронной машины 1 начинает поворачиваться в за 4 О данном направлении "В",При вращении ротора по сигналамс выхода датчика 2 происходит переключение транзисторов коммутатора, Припоявлении единичных сигналов на выходах каналов Ъ", "5" или "б" датчика 2 происходит включение транзисторов коммутатора 3 соответственно 9,7 или 5, этими же сигналами, воздейБОствующими на управляющие входы быстродействующих ключей 42-44, подключаются к входам суммирующего усилителя 41 дешифратора 26 резистивные датчики тока, соответственно 23, 22 или21, Сигналы, пропорциональные току вкоммутируемых секциях в режимах Д иДТ, снимаются поочередно с соответствующего датчика тока и подаются навходы суммирующего усилителя 41, а с, 1410212его выхода - на вход регулятора 24 тока.В процессе коммутации секций якорной обмотки (при переключениях транзисторов 5, 7 и 9 ток в подключае- мой секции возрастает с нулевого зна чения. В момент коммутации сигнал на выходе вновь подключаемого датчикаатока равен нулю. Поэтому оба усилителя 47 и 48 переключаются в единичное состояние по выходу и переводят сило" вую. схему в режим Д независимо от предыдущего ее состояния. Данное обстоятельство обеспечивает минимальноевремя коммутации тока в секциях.Переключения транзисторов 4, 6 и 8.коммутатора происходят в интервалемежду переключениями транзисторов 5,7 и 9. Если эти моменты переключенияприходятся на режим Д, то коммутацияфаз двигателя происходит аналогичнокоммутации при переключении транзисторов 5, 7 и 9,Рассмотрим работу вентильного электродвигателя когда момент коммутациисекций (переключения по сигналам датчика 2 верхней группы транзисторов4, 6 и 8 коммутатора) совпадает с переходом схемы в режим ДТ, В этот момент времени на выходе усилителя 47присутствует нулевой, а на выходе:усилителя 48 - единичный сигнал. Данная комбинация сигналов подается навходы элемента "ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ" 33и на выходе последнего появляется нулевой сигнал.Пусть в предыдущем состоянии схемы сигналы с датчика 2 подавались науправляющие входы транзисторов 4 и 7(единичные сигналы с и Ъ") в работе находились секции С и В якорнойобмотки, При повороте ротора двигателя до углового положения, равного Ч,(фиг. 4), происходит снятие возбуждения с чувствительного элемента си подача возбуждения на чувствительный элемента, Чувствительный элемент Ь при этом остается возбужденным. В соответствии с нулевым сигналом на управляющем входе формирователя 10 сигналов на втором выходе канала реверсора 13 единичный сигналсменится на. нулевой, а нулевой сигнал на втором выходе канала реверсора 11 сменится на единичный. На остальных выходах реверсора состояниевыходных сигналов остается без изменений, Так как на выходе. усилителя 4710 20 -НЕ 30, на выходе последнего появляется импульс нулевого уровня (на Р фиг. 7 момент времени 1 выход Б 30), Этот импульс поступает на второй вход логического элемента 2 ИЛИ-НЕ 2 б 3 1, Так как на первый вход последнегоподается нулевой сигнал с выхода эле 40 последнего соответственно на второй управляющей цепи появляется единич 45 зисторов 8 и 7 коммутатора 3 (тран 50.зистор 7 бып открыт ранее), В резуль 55 30 35 регулятора 24 тока присутствует нулевой сигнал, то этим сигналом логические элементы 16, 18 и 20 оказываются заблокированными по второму входу. Поэтому переключения сигналов на первых входах элементов 16, 18 и20 не приводят к изменению их выходных сигналов и на первые входы подаются сигналы с вторых выходов реверсоров 11-13, Соответсгвенно будет задерживаться коммутация транзисторов 4 и 8 коммутатора. Одновременно с переключением сигналов на вторых выгда ходах кайалов реверсоров,а именно канала реверса 11 на выходе дифференцифатора 27 появляется импульс единично-ф го уровня, который подается на одиниз входов логического элемента 3 ИЛИмента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ 33, то на его выходе формируется единичный импульс.Этим импульсом открывается на короткое время транзисторный ключ 36, разряжая до нуля конденсатор 38 КС-цепи37 (фиг. 6. момент ТП, ). Приэтом компаратор 35 изменяет состояние своего выхода с нулевого на единичное, так как потенциал на его прямом входе становится вьппе потенциала на инверсном входе, Этот единичныйсигнал приходит на второй вход логического элемента 2 ИЛИ 32 и на выходе ный сигнал. На первой управляющей цепи присутствует ециничный сигнал свыхода усилителя 48, как было указано выше. Единичные сигналы по цепям управления формирователя 10 разреша"ют прохождение сигналов "а" и "Ь"датчика 2 на управляющие входы трантате силовая схема принудительно переходит в режим Д (фиг. 10) и практически без задержки начинается коммутация тока в секциях 1 и А, При этомкак в секции С интенсивно уменьшается, а секции А нарастает. В секции 6ток практически не изменяет своегозначения за время коммутации (фиг.7интервал с-с ). При этом в коммута 1410212торе образуются два контура протеканюя тока (Фиг. 9). Первый контур об" разует ток 1 с ь протекающий по цепи: секции С, секция Ь, транзистор 7, датчики 22 и 21 тока, обратный диод транзистора 5. Этот контур тока (ре- жом ДТ) существовал в коммутаторе до ичала коммутации секций (фиг, 8). В момент начала коммутации секций 10 ( и открытии транзистора 8) образуе ся дополнительный контур протекан тока 1 ф по цепи: первая шинал,с источника питания,+П, транзистор 8, с кция Д, секция С, обратный диод 15 транзистора 5, датчик 21 тока, втор шина источника питания, ТВ момент коммутации ЭДС коммутиру е и секций 4 и С имеют одинаковую в ичину, направлены встречно и по- . 20 эт му для.протекающего тока Цф вз имно скомпенсированы Таким обра зо ток 1 интенсивно нарастаетА,с помад действием напряжения источника пи 1 ания Ф 0, темп его роста линеек 25 и практически не зависит от скорости вращения ротора, Он определяется то ько индуктивностью секций 1 и С (Ф г. 7, ийтервал времени ьй, диаг амму д), Рост тока .х продол жа тся до того момента, когда его вели ина сравняется с величиной спадаю-, ще о тока(закрывается обратный ди д транзистора 5),(на фиг, 7, моме т времени Сс). В этот момент време и ток хс в секции С спадает до нуля а токв секции 4 сравнивается по величине с током - секции Ь, Процесс коммутации секций закончен. Та" киМ образом, время коммутации ьй за виСит в основном от параметров электромашины (индуктивности секций якорной обмотки) и от величины тока, с которого начинается коммутация,В управляющей части двигателя за 45 время коммутации происходят следующие прбцессы.В момент времени , (фиг, 7) кон 4 дейсатор 38 ЕС-цепи 37 был разряжен до нуля открывшимся на короткое время транзисторным ключом 36, а компарагор 35 переключился в единичное состояние по выходу. После запирания тр,нзисторного ключа 36 конденсатор на 1 Финает заряжаться через резистор 39 под действием напряжения +П.Параметры КС-цепи 37 выбираются тахим образом, чтобы момент достижени:Ф напряжения на конденсаторе 38 величины напряжения на выходе инвертирующего усилителя 34 и последующегопереключения компаратора 35 совпал смоментом окончания коммутации тока нсекциях 6 и 1 . Далее компаратор 35переключается в нулевое состояниепо выходу. Нулевой сигнал с выходакомпаратора 35 поступает на второйвход логического элемента 2 ИЛИ 32,а выход последнего начинает повторятьсигнал на его первом входе и выходе усилителя 47 релейного регулятора24 тока. Дальнейшее регулирование тока в секциях осуществляется с помощью релейного регулятора 24 тока поуправляющим цепям формирователя 10.В частности, так как процесс коммутации происходит при некотором снижении тока двигателя, то по окончаниикоммутации силовая часть сохраняет .режим Л до увеличения тока, соответ"ствующего переключению схемы из режима Д в режим ДТ, Далее процессыповторяются путем чередования режимов Д и АТ до очередного переключе-ния транзисторов верхней группы коммутатора 6 и 8. Коммутация А и В происходит аналогично описанному с тойлишь разницей, что сигнал на переводсиловой части из режима ДТ в режим Дформируется дифференциатором 28.Таким образом осуществляется коммутация тока в секциях двигателя припереключении транзисторов верхней -.группы коммутатора непосредственно,по сигналам датчика 2,Устраняются коммутационные прова-лы тока, имеющие место при совпадении момента коммутации секций двига"теля с моментом. отключения секций отисточника питания. При этом улучшается коэффициент использования двигателя по моменту, снижаются .дополнительные потери, Полностью исключаются низкочастотные колебания момента на частотах, близких к кратнымчастотам работы релейного регуляторатока, В результате повышается равно"мерность вращения двигателя, что способствует улучшению качества работыпромышленных роботов, манипуляторов,в составе которых находят наибольшееприменение управляемые вентильные;двигатели,Формула изобретенияУправляемый вентильный электродвигатель по авт. св. 9 1259463, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью повышения коэффициента использования двигателя и равномерности частоты вращения, в него дополни"тельно введены три дифференциатора,логические элементы 3 ИЛИ-НЕ, 2 .ИЛИ-НЕ, 2 ИЛИ, ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, инвертирующий усилитель, компаратор, транзисторный ключ и последовательнаяКС-цепь, входы дифференцпаторов подключены к вторым выходам реверсоров соответствующих каналов формирователясигналов управления, а выходы подключены к входам логического элемента3 ИЛИ-НЕ, выход последнего подклю"чен к одному из входов логическогоэлемента 2 ИЛИ-НЕ, второй вход которого подключен к выходу логическогоэлемента ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ, входы ко"торого подключены к выходам релейно 10212 12го регулятора тока, последовательная ЕС-цепь включена между источником положительного напряжения и общей шиной, при этом средняя точкаКС-цепи подключена к инверсному выходу компаратора, прямой вход которого подключен к выходу дешифраторачерез инвертирующий усилитель, а вы 10.ход компаратора подключен к одному извходов логического элемента 2 ИЛИ,включенного по второму входу и выходу между одним из выходов релейногорегулятора тока и одним из управляю 18 щих входов формирователя сигналов управления, транзисторный ключ коммутационными выводами подключен паралле-.льно конденсатору КС-цепи, а управляющим выводом - к выходу логическо",20 го элемента 2 ИЛИ-НЕ,