Способ управления вентильным электродвигателем в режиме стопорения ротора

, 130 6 09) ЕНИЯ К АВ телем в режиме ключают к ист м щью преобраз бинацию секций ческой машины ок в подключе ивающа ла екции совмест ачком, 9 ил ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ ОПИСАНИЕ И КОМУ СВИДЕТЕПЬСТ(53) 62-83:621.313.392 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР У 1029368, кл. Н 02 Р 6/02, 1981.Авторское свидетельство СССР 9 1029369, кл. Н 02 Р 6/02, 1981. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ В РЕЖИМЕ СТОПОРЕНИЯ РОТОРА(57) Изобретение относится к электр технике. Целью изобретения является повышение энергетических показате. - лей вентильного электродвигателя в режиме стопорения ротора, Указанная цель достигается тем, что в способе управления вентильным электродвига 1) 4 Н 02 Р 3/20, Н 02 К 29/06 топорения ротора подчнику питания с пователя 5 частоты ком,3,4 обмотки электри и якоря и регулируют ных секциях. Намагниказанной комбинации о с намагничивающей силои индуктора создает электромагнитный момент, препятствующий движению ротора. При одной из смен межкоммутационных интервалов изменяютуровни токов в секциях 2,3,4 якорной обмотки, подключенных к источнику питания таким образом, чтобы вновьсозданная намагничивающая сила секций обмотки якоря была больше прежней, а текущее значение электромагнитного момента при изменении уровней токов в секциях не изменялосьСоставитель А Техред М.Хода Головченкоч Корректор Н едактор И. Сегля ль Закаэ 1158/55 аж б б 1 Подписноетвенного комитета СССРбретений и открытий-35, Раушская наб., д. 4/ НИИПИ Го по делам и 30359 Москвя 9Изобретение относится к электротехнике и может быть использованов электроприводе с нентильным электродвигателем.Цель изобретения - повышение энергетических показателей вентильногоэлектродвигателя в режиме стопоренияротора,На фиг.1 представлена блок-схематрехсекционного вентильного электродвигателя, на фиг.2 - эпюры напряжений в узлах блок-схемы трехсекционного вентильного электродвигателя и его моментные характеристики;на фиг.З - векторая диаграмма намаг 15ничивающих сил, создаваемых секциями обмотки якоря трехсекционного вентильного электродвигателя,на фиг,4 -эпюры напряжений и моментные харак 20теристики трехсекционного вентильного электродвигателя для частного случая способа управления, "на фиг,5блок-схема пятисекционного вентильного электродвигателя, на фиг.6 - блоксхема генератора импульсов регулируемой скважности, на фиг.7 - блок-схе -ма гистерезисного реле, на фиг.8 -эпюры напряжений в узлах блок-схемыпятисекционного вентильного электродвигателя и его моментные характеристики, на фиг,9 - векторная диаграмма намагничивающих сил пятисекционного вентильного электродвигателя.Согласно способу управления вентильным электродвигателем в режиместопорения ротора подключают к источнику питания такую комбинацию секцийобмотки якоря электрической машины,при которой электромагнитный моментпрепятствует движению ротора, регу 40лируют УРовни тока в секциях якорнойобмотки электрической машины, фиксируют смену межкоммутационных интервалов, по крайней мере, при первой смене межкоммутационного интервала до 45полнительно регулируют токи в секциях обмотки якоря, увеличивая электромагнитный момент на очередном межкоммутационном интервале до величины, при которой он в начале очередного межкоммутационного интервала равен электромагнитному моменту в конце предыдущего межкоммутационного интервала,При регулировании токов в секциях55обмотки якоря создается результирующая намагничивающая сила (НС) Гкоторая имеет вектор, смещенный в направлении движения ротора на углЙ0 ( х с - относительно вектора намагРничивающей силы обмотки якоря Г на1 предыдущем межкоммутационном интервале, причемвдп (х+у) 2 1 ЗП У х где у - угол между вектором результирующей намагничивающейсилы Г, и угповым положением конца предыдущего межкоммутационного интервала,3,0 су с - ;2 рр - число пар полюсов электрической машины.Блок-схема вентильного электродвигателя, в котором может быть реализован способ управления, содержитэлектрическую машину 1 обмотка якоря которой составлена из трех секций2-4, подключенных к преобразователючастоты 5, На валу электрической машины установлен датчик положения 6с тремя выходами 7-9. Вращающийся индуктор (ротор) 10 электрической машины выполнен. в виде постоянного магнита (фиг.1), Двухполупериодный преобразователь частоты 5 содержит шестьуправляемых ключей 11-16, напримертранзисторов. По сигналам датчика положения 6 ротора формируются управляющие сигналы для открытия ключей11-16 преобразователя частоты 5. Наличие напряжения на управляющих входах ключей 11-16 (фиг.2) свидетельствует о том, что они открыты. С управляющими входами ключей 11 и 15связан выход 17 генератора импульсов регулируемой скважности, сигналами которого осуществляется регулирование, например, ограничение тока всекциях 2-4 якорной обмотки электрической машины 1.Взаимодействие результирующей НС Г, секций обмотки якоря с НС индуктора вызывает электромагнитный момент, направленный против действия внешней нагрузки для данного случая - вправо, который препятствует движению ротора. Регулирование, например, ограничение тока в обмотке якоря электрической машины осуществляют с помощью генератора 18 импульсов ретоку этом созР в 1 п (х+ ) япгулируемой скважности, при этом величина тока, протекающего по указанным секциям и создающего НС (фиг.З) выбирается не из условия про- . тиводействия максимально возможной 5 внешней нагрузки, а значительно ниже.На фиг.З показано пространственное расположение НС секций 2-4 обмотки якоря электрической машины 1. Позициями 19, 20 и 21 показаны направле ния векторов НС при прямом включении укаэанных секций, а позициями 22- 24 при инверсном включении этих секций. Для создания НС Р в данном случае регулируется ток в секции 2, а 15 распределение токов в секциях 3 и 4 происходит обратно пропорционально их активным сопротивлениям Если они равны, то равны и токи протекающие в секциях 3 и 4. Регулирование тока в 20 секции возможно осуществить либо установкой определенной скважности импульсов генератора 18, либо по сигналам датчика тока, включенного в секцию 2. В последнем. случае генератор 18 выполняется в виде аналогового компаратора, а уровень ограничиваемого тока устанавливается изменением - опорного напряжения этого компаратора. Согласно способу фиксируют сме-ЗО ну межкоммутационных интервалов. По крайней мере при первой смене при уг 43 Гловом положении ротора - изменяют3уровни токов в секциях якорной об мотки таким образом, чтобы создаваемая ими НС Р имела вектор (фиг;3), смещенный относительно вектора НС Г в направлении движения ротора на угол 0 ( х 2,причем Если учесть, что НС Р = 1 М +1 У 3+ 2 в - соя - = - 1 И где Ю - число 52 3 2витков в каждой секции 2-4; 1, - ток, протекающий в секции 2 при создании НС Р и равный току потребления вен 1тильного электродвигателя от источника постоянного тока, то согласно 55 фиг.З имеем Г соя х = Г + Р соя - + Я г г з 3где 1 - ток в секции 2, равныйисточника питания, при секциями обмотки якоря дается регулирующая НС Р вдп (х+ ) Учитывая, что Р = Г 1 яп у получим 1 = 1 К соя х, (1) ядп (х+у) где К яп у При положении ротора на угловом23 4 йинтервале --- вентильный электро"3 3двигатель потребляет ток в К соя х раз больший, чем на угловом интерваЮ 83ле --- и создает электромагнит"3 3ный момент, амплитуда которого в К, раз превышает амплитуду электромагнитного момента на угловом интерва 4 Я 80ле -- в , Аналогичное последова 3 3тельное применение способа позволяет осуществить несколько плавных, т,е, без скачков, момента, переходов на более энергоемкие, обеспечивающие большие электромагнитные моменты характеристики. Иинимальный уровень тока в секциях может быть выбран нулевым.В трехсекционном вентильном электродвигателе может быть реализован частный случай способа управления, когда при смене межкоммутационного интервала одновременно с регулированием тока в секциях якорной обмотки осуществляют подключение к источнику питания другой комбинации секций обмотки якоря.Пусть к источнику питания подклю чены секции 2 и 4 обмотки якоря при положении ротора на угловом интерва 43 53ле --- (фиг.4). Комбинацией ука 3 3эанных секций создается результирующая НС Р , вектор которой направлен53под углом - .3При регулировании величины тока в комбинации, секций обмотки якоря дос 1300616таточно регулировать величину тока, по крайнеи мере, в одной секциигнапример, в секции 2, так как секции 2 и 4 соединены последовательно. В случае подключения к источнику питания секций больше двух регулирование, например, ограничение тока в этих секциях также возможно посредством регулирования тока по крайней мере в одной секции, в которую поступает полный ток от источника питания: для описываемого случая - это секция 2. Распределение токов в оставшихся секциях, включенных инверсно, происходит естественно, т.е. обратно пропор ционально их активным сопротивлениям, Возможно регулировать ток в нескольких секциях обмотки якоря, например, для трехсекционной машины - в секции, в которую поступает полный ток от 20 источника питания, и в одной из секций, включенных инверсно, В оставшейся секции будет протекать ток, равный разности между полным током, и током, протекающим в секции, включен ной инверсно, в которой осуществляется регулирование. Регулирование в секции 2 возможно осуществлять с использованием датчика тока, включенного последовательно в секцию 2. При 30 этом генератор 18 регулируемой скважности выполняется в виде аналогового компараторас регулируемым порогом срабатывания. Согласно способу управления продолжают фиксировать последо вательную смену межкоммутационных интервалов. По крайней мере, при очередной смене при угловом положении ро 43тора - подключают к источнику пита 3 40 ния с помощью ключей 11, 15 и 16 преобразователя частоты 2 другую комбинацию секций 2, 3 и 4 обмотки якоря, создающую НС Р ,вектор которой смещен в направлении движения ротора, т,е, 45Овлево, на угол 0 с х = - с 3. Одновре 6менно с подключением комбинации секций 2-4 обмотки якоря регулируют уровень тока, например, в одной секции 2 50 таким образом, чтобы обеспечить11 41з 1 п ( - + в )вп у. Л55Если учесть, что НС Р =2 1 й соз - =6- 3 И 1 где И - число витков в каждой секции 2-4, 1, - ток в секциях обмотки якоря, создающих результирующую НС Р . Причем Г, = 13 ЕЗИ 1 = 1 И+ 2 - асов - = - 1 Ыа 2г3 31 г = 2 1 где 1, - ток в секции 2, равный току потребления вентильным электродвигателем от источника пита ния, при этом токе в секции 2 обмоткой якоря создается результирующаяЕгПри положении ротора на угловом4 Уинтервале - вентильный электродви 3гатель потребляет ток в два раза боль 411 5,нший,чем на угловом интервале --- ,3 3и создает электромагнитный момент,максимальное значение которого в ГЗраза превышает максимальное значениеэлектромагнитного момента, создавае 411 5 й мого им на угловом интервале ---3 3 Аналогичное последовательное применение указанных операций позволяет осуществить несколько плавных переключений на более энергоемкие, обеспечивающие большие электромагнитные моменты характеристики (фиг.4).Рассматриваемый способ управления вентильным электродвигателем может быть использован и для выполнения электрической машины с пятью секциями обмотки якоря.Блок-схема такого вентильного электродвигателя содержит однополупериод" ный преобразователь частоты 2, выполненный на ключах 25-29 (фиг.5), обмотка якоря электрической машины 1 составлена из пяти секций 30-34, а датчик положения 6 ротора выполнен с пятью выходами 35-39. Блок-схема содержит также блок 40 задания постоянного включения комбинации ключей, блок 41 формирования сигналов правого и левого направления вращения, генератор 18 импульсов регулирования скважности. Выходы 42-46 блока 41 связаны соответственно с цепями управления ключей 25-29 преобразователя частоты 5. С цепями управления ключей 25, 27 и 28 связаны соответственно выходы 47-49 блока 40. Каналы 50, 51и 52 трехканального выхода 17 генератора 18 связаны соответственно с цепями управления ключей 25 и 26 посредством логических схем 2 И 53, 54 и 55. 5Информационные входы блока 41 и генератора 18 подключены к выходам 35-39 датчика положения 6 ротора,Управляющий вход 56 блока 40 и управляющий вход 57 генератора 18 объединены и служат для задания режима стопорения ротора. Первый 58 и второй 59 управляющие входы блока 41 служат соответственно для задания направления вращения и режимов "Пуск" и 15 "Стоп".Блок 40 задания постоянного включения комбинации ключей выполнен в виде двухпозиционного реле с тремя группами контактов. При наличии уп равляющего напряжения на обмотке реле контакты замыкаются и на выходах 47-49 блока появляются управляющие сигналы единичного логического уровня.Блок 41 формирования сигналов правого и левого направления вращения осуществляет преобразование сигналов датчика положения 3 ротора в управляющие сигналы ключами 25-29 преобразователя частоты 2 в двигательном и тормозном режимах, При наличии команды "Стоп" на втором 59 управляющем входе блока 41 на его выходах 42-46 отсутствуют управляющие сигналы е 35Генератор 18 импульсов регулируемой скважности служит для регулирования токов в секциях обмотки якоря электрической машины 1. Его организация возможна по различным функцио- ф нальным схемам,как с обратной связью по току,так и без нее.На фиг.6 представлена схема генератора 18 с обратной связью по току. Он содержит трн датчика тока 60-62, включенные соответственно в секции 30,32 и 33 обмотки якоря, три аналоговых мультиплексера 63-15,три гистерезисных реле 66-68, три. делителя напряжения 69-71,Выводы 72-74 делителя 69 подключены соответственно к информационным входам мультиплексера 63, выводы 75-77 делителя 70. - к информационным входам мультиплексера 64 а выводы 78-80 - к инЭ55 формационным входам мультиплексера 65, Входы 81-83 измерительного напряжения и входы 84-86 опорного напряжения гистерезисных реле 66-68 подключены соответственно к датчикам 60-62 тока и выходам мультиплексеров 63-65. Выходы 87-89 гистерезисных реле 66-68 через схемы 90-92 "Запрет" образуют каналы 50-5 1 трехканального выхода 17 генератора 18,Управляющие входы мультиплексеров 63-65 связаны с выходом датчика положения 3 ротора через логические схемы 2 ИЛИ 93 и 94, Управляющие входы логических схем "Запрет" объединены и образуют управляющий вход 57 генератора 18.Датчики тока 60-62 могут быть любого типа, например резисторные,индуктивные или в виде датчиков Холла, расположенных в зазоре магнитопровода, несущего обмотку, по которой протекает измеряемый ток.Каждое из гистерезисных реле 66- 68 выполняется на основе компаратора 95 (фиг.7) с положительной обратной связью 96Уровень срабатывания гистерезисных реле задается делителями напряжения соответственно 69 и 71. Значение гистерезиса каждого реле задается положительной обратной связью 96. Гистерезис может задаваться элементом временной задержки, например, конденсатором 97, подключение которого на вход компаратора показано условно.Датчик положения 6 ротора может быть любого типа, например, индуктивный с подмагничиванием, На его выходах 35-39 формируются сигналы о положении ротора синхронной машины, смещенные для рассматриваемого случая друг относительно друга на угол 2 й- Длительность каждого сигнала соответствует угловому повороту рото 2 Йра на - .5В вентильном электродвигателе с пятисекционной электрической машиной способ реализуется следующим образом.Предположим, что к источнику питания подключены секции 30, 32 и 33, ротор электродвигателя не вращается и при отсутствии внешней нагрузки находится в положении на угловом интер 8 Квале -- 2 Я так как в этом положе 5нни вектор НС обмотки якоря и вектор НС индуктора совпадают по направлению и электромагнитный момент, прило, Р соз- х) =Р +З 2 де ОсусЛ 2 соз деР,Р -Н здаваемые со ответственно секциями 32 и 33 обмогки якоря на угловом интервале83- 2 И5 женный к ротору электродвигателя,отсутствует. На втором входе 59 блока41 присутствует сигнал "Стоп", на выходах 42-46 его отсутствуют управляющие сигналы единичного логическогоуровня. На управляющих входах 56 и57 блока 40 и генератора 18 присутствуют единичные управляющие сигналы.Осуществляется режим стопорения ротора вентильного электродвигателя,пригОкотором на ротор действует например,однонаправленная внешняя нагрузка,влево. В подключенных секциях 30, 3,33 обмотки якоря регулируют ток. Указанными секциями в этом случае соэда ется результирующая НС Р(Фиг.9).Ра"боту устройства для управления электродвигателем поясняют эпюры напряжения и моментные характеристики, представленные на Фиг.Я.Наличие единичного управляющего напряжения на входах ключей 25-29 преобразователячастоты 2 свидетельствует о том, чтоэти ключи открыты, Значение угла поворота ротора о возрастает при вращении вправо. На угловом интервале83-- 23 с выходов 50-52 генератора518 регулирующие ток импульсы поступают соответственно на цепи управленияоткрытых ключей 25, 27 и 28 преобразователя частоты 5, причем в каждойФазе 30 32 и 33 токи поддерживаются на уровнях, определяемых соответственно опорными напряжениями на выводах 72, 75 и 78 делителей напряжения 69, 70 и 71, которые скоммутированы через аналоговые мультиплексоры 63-65 соответственно на входы82-86 опорных напряжений гистерезисных реле 66-68. Пусть уровень тока всекции 30 регулируется на таком маломуровне, что НС данной секции можнопренебречь. Тогда согласно фиг.9 у - угол между вектором НС Е и угловым положением концамежкоммутационногобггинтервала -- 27 г,5При учете, что Р = У 1 , Рза. ъ,з = М 1 и из расположения вектоотов Р Р , Р следуето Пропуская промежуточные математические выкладки, имеем Ток потребления вентильным электродвигателем на рассматриваемом угловом интервале определяется как 1 ЗР(1+ - ) соз ( -- у - х) К 2 10 т Далее, фиксируем смену межкоммутационного интервала и при угловом83положении ротора - изменяем уровни5токов в подключенных к источнику питания секциях обмотки якоря такимобразом, чтобы создаваемая ими ре-,зультирующая НС Р имела вектор,смещенный в направлении движения ротора,т.е, влево, на угол 0 сх с м,Уровни токов в секциях обмоткиякоря изменяются таким образом, чтобыобеспечить Поясним ограничение у с в , ПриЕ 2малых значениях, принципиально возможно изменение уровней токов в секциях обмотки якоря, подключенных к источнику питания для перехода с моментной характеристики, создаваемой с участием НС Р, (фиг,8), на моментную характеристику, создаваемую с13 ОО 616 12Определим токи 1 , 1 в секзз,ф зз,циях 32 и 33 для углового интервала411 8 ЯИз расположения векторов НС Р1 ф зР ф Рзз,Рзз, (фиг.9) и при учете,чт.оР=Ы 1 Р Ы 132 32 ф ф ЗЗ ф ЗЗ ф2%1 И ( - +соя - )о К 5 участием НС Г только в том случае, если значение у не превышает длительность половины полуволны моментйных характеристик, т.е. 2 5венство Р = Ряз.п (х +я 1обеспечивает плавность перехода с одной моментной характеристики на другую и исключает процесс автоколебаЮ ний ротора. Изменение уровней токов в секциях 30, 32, 33 обмотки якоря осуществляется эа счет перекоммутации входов 84-86 опорных напряжений гисте 15 реэисных реле 66-68. иа вторые выводы 73,76,79 делителей напряжения 69-71, Пусть уровень тока в секции 30 устанавливается на таком низком уровне, что НС данной секции можно пренебречь.20 Зив К 10 ЗЯ оя ( - -у-х) 10я5 К пропуская промежуточные математические выкладки, получим зд.К 33 23Зз,зз,т.е, влево 3 н може Ъ. Причем ротора нео Р. Иэ ф на угол х причембыть как угодно б для обеспечения сто ходимо обеспечить г.8 следует, что гд лизок кпоренияС Рз Ток, потребляемый вентильным элек.двигателем на угловом интервале ЮЯ- г .ю При услов этому длясправедли 1РзРз, всегда гуз. аибольших значений хз хз Ъ. авен- "з (7)1 о 4 1КТаким образом, выражения (2) (7) определяют соотношения между уровнями токов в секциях обмотки якоря при создании результирующих НС Р1и Р - а также между уровнями токов потребления от источника питания на создание указанных НС.При дальнейшем повторном испол вании указанных выше операций про жают фиксировать смену межкоммут - ционных интервалов и при углово43ложении ротора - изменяют уровни в5 Изменение уровня тока в секциях30, 32, 33 производят так, чтобыобеспечить Фяав Рз з в де Оу ( -У 243 гинтервале 0 -- изме5 ьзо- дола углов 2, 33 обза счет опорных ле 66-68 делите" уровень ается на данной некие ток мотки яко секцисущес ам поерекоммутаци апряжений ги а третьи выв ей напряженн вхо стере и якоря,подания такимя ими новая ), которыйения ротора,ябтока в секци таком низком секции можно усне УР пр- секциях 30, 32, 33 обмот ключенных к источнику пи образом, чтобы создаваем НС Р, имела вектор (фиг, смещен в направлении движ ях 30, вляется ов 84-8 исных р77, 8 1. Пуст танавличто НС речь.Регулирование токов в секциях 30 и 32 осуществляется на уровнях, определяемых из выражений, аналогичных (5) и (6), и производят аналогично описанному. 5Рассмотренным способом управления вентильным электродвигателем в режиме стопорения ротора возможно осуществлять фиксацию вала при знакопеременной внешней нагрузке, формируяотносительно середины углового ин 8 Я .тервала - - 2 Г (фнг,8) моментные5характеристики либо зеркальным по отношению к изображенным, либо другим образом. Значения моментов вновь вводимых моментных характеристик имеет обратный знак по отношению к значениям ранее приведенных моментов (фиг,8). Реализация стопорения ротора в этом случае осуществляется последовательным наращиванием аналогичных элементов блока 40 и генератора 18 (фиг.5).25Таким образом, рассмотренный способ управления позволяет осуществить дифференциацию потребления электроэнергии в зависимости от уровня приложенной внешней нагрузки и повысить экономичность режима стопорения ротора вентильного электродвигателя.Использование изобретения позволяет исключить из вентильных электродвигателей фрикционные муФты тормо жения и стопорения, обладающие низким рессурсом, увеличивающие габариты вентильного электродвигателя. В частности для вентильных электродвигателей, у которых доля режима стопорения ротора от общего времени работы мала, обеспечение расторможенного состояния муфт требует значительных затрат электроэнергии, которая идет на удержание электромагнитом якоря муфты в положении, не препятствующем вращению ротора электродвигателя . Использование изобре сения позволяет исключить указанные потери электроэнергии, при незначительных затратах на обеспечение режима стопорения. Такой режим работы вентильного электродвигателя при периодической внешней нагрузке в режиме стопорения ротора, когда с одной55 стороны обес печвается аде;касв порение вала вентили ного электропвп - гателя, а с другой стороны потребление электроэнергии вентильным электродвигателем происходит в зависимости от уровня внешней нагрузки, весьма благоприятен при работе от систем Электроснабжения автономных объектов.Применение способа управления вентильным электродвигателем наиболее целесообразно в электродвигателях с косинусоидальным распределением НС секций обмотки якоря и индуктора в воздушном зазоре. В случае некосинусоицального распределения укаэанных НС применение способа справедливо для первых гармоник этих НС, которые играют определяющую роль в Формировании моментных характеристик электродвигателя в режиме стопорения ротора, а высшие гармонические составляющие вызывают искажение моментных характеристик. В большинстве электродвигателей стремятся приблизить распределение указанных НС к косинусоидальному и поэтому применение в таких электродвигателях указанного способа оправдано.Формула изобретенияСпособ управления вентильным электродвигателем в режиме стопорения ротора, согласно которому подключают к источнику питания такую комбинацию секций обмотки якоря электрической машины, при которой электромагнитный момент препятствует движению ротора, регулируют уровни тока в секциях обмотки якоря электрической машины, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения энергетических показателей, фиксируют смену межкоммутационных интервалов, по крайней мере нри первой смене межкоммутационных интервалов дополнительно регулируют токи в секциях обмотки якоря, увеличивая электромагнитный момент до величины, при которой он в начале очередного межкоммутационного интервала равен величине электромагнитного момента в конце предыдущего межкоммутационного интервала,