Реверсивный вентильный электродвигатель

(22) Заявлено 091077 (21) 2540312/24-07с присоединением заявки йо(51)М. Кл. Н 02 К 29/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) РЕВЕРСИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ Изобретение относится к электротехнике, в частности к регулируемым электроприводам и может быть использовано в электроприводах металлорежущих станков.При создании реверсивных транзисторных вентильных электроприводов средней мощности основной проблемой является защита транзисторов инвертора (коммутатора) от перенапряжений, вызываемых энергией, запасенной в индуктивности рассеяния коммутируемой фазы от тока нагрузки.Известны вентильные электродвигатели с транзисторным инвертором, в которых для защиты транзисторов от перенапряжений параллельно последним в обратном направлении включены диоды Ц .20Недостатком таких схем вентиль- ных двигателей состоит в том, что они не обеспечивают рекуперативного торможения двигателя, так как при этом транзисторный мост работает в выпрямительном режиме и неуправляемый диод и открытый транзистор закорачивают две фазы двигателя.Известен также вентильный двигатель с транзисторным инвертором, в котором энергия, запасенная в магнитном поле секции, перенапряжения через обратные диоды (обратный выпрямительный мост) выделяется в конденсаторе, который в межкоммутационные интервалы разряжается на резисторы и частично используется в цепях управления, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику ЭДС, состоящему, например, из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор на транзисторах, базовые цепи которых подключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обратного тока, подключенный зажимами переменного тока на выходные зажимы инвертора, а зажимами постоянного тока-через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС Ь 4) .Основной недостаток известного двигателя заключается в том, что при увеличении мощности двигателей и увеличении пусковых токов значительно возрастают его масса и габаритыиэ-За больших габаритов конденсатора и разрядного резистора. Крометого, при работе на больших скоростях значительно (по 10) снижаетсяего КПД,Цель изобретения - повышение козФФициента полезного действия вентильного двигателя, снижение его массыи габаритон,Цель достигается тем, что н схему вентильного двигателя дополнительно введены датчик нулевого тока, логические элементы ИЛИ включенные между цепями управления транзисторон инвертора и устройствомупранления иннертора, блок определения режима работы двигателя (двигательный или тормозной), состоящий,например, из пяти логических элементов И-НЕ, измерителя чередованияФаз и усилителя результирующегосигнала управления, устройстно токо,вой блокировки, состоящее, например,из шести логических элементов И-НЕ,релейный элемент, подключенный навыход тахометрического устройства,причем, выход блока определения режима работы двигателя подключен напервый вход устройства токовой блокировки, на второй вход устройстнатоковой блокировки подключен выходдатчика нулевого тока, первый ныходустройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей для подключения к инвертору обратного выпрямительного моста, а второй ныход устройства токовой блокировки - ко вторым входам логическихэлементов ИЛИ, таким образом, чтобыпри двигательном режиме транзисторныеключи были открыты и второй выходустройства токовой блокиронки не влиял на работу логических элементов ИЛИпри тормозном режиме транзисторныеключи были закрыты, а на выходе всехлогических элементов ИЛИ был сигнал,открывающий одновременно все транзисторы инвертора, выход релейногоэлемента подключен на третий входустройства токовой блокировки такимобразом, чтобы на выходе устройстватоковой блокировки при малой скоростибыли сигналы, соответствующие двигательному режиму работы.Благодаря, такому подключению вновьвведенных элементов в двигательномрежиме работы вентильного двигателятранзисторные ключи открыты и обратный выпрямительный мост подключенпараллельно транзисторному инвертору Энергия, запасенная н индуктивности рассеяния Фазы двигателя,выходящей из работы, гасишься черезвентиль обратного выпрямительногомоста, ннонь открытый транзистори Фазу двигателя, остающуюся в работе. Перенапряжения на,транзисто.Рах отсутствуют.(О 15 гО 25 30 35 фД 4% 9 3 5 При тормозном режиме работы ввнтильного двигателя транзисторныеключи закрыты, обратный ныпрямительный мост отключен, а нсе транзисторы иннертора открыты постоянносигналом с логических элементов ИЛИ,Транзисторный инвертор работает как, управляемый ныдрямитель, отдаваяэнергию торможения днигателя череззвено постоянного тока н питающуюсеть. Перенапряжения на транзисторахтакже отсутствуют,На Фиг. 1 представлена принципиальная схема реверсивного транзисторного вентильного электродвигателя, на Фиг, 2 - диаграммы работы основных Функциона,пьных узлов.Нентильный электродвигатель содержит управляемый выпрямительныймост 1, неуправляемый мост 2 обратного тока, транзисторные ключи 3 и 4,предназначенные для подключения вентилей ныпрямительного моста 1 параллельно транзисторам 5-10 инверторапри работе его в двигательном режиме,неуправляемые вентили 11-16 для защиты транзисторов от обратных напряжений, датчик 17 нуленого тока, предназначенный для контроля наличия тока в силовой цепи преобразователя,синхронную машину 18,датчик 19 положения ротора синхронной машины,предназначенный для выдачи сигналовна переключение транзисторов иннертора н Функции положения ротора, тахогенератор 20, систему 21 импульсноФазоного управления выпрямителя,регулятор 22 тока и скорости нентильного двигателяблок 23 задания направления вращения аналогичный блоку логики раздельного управления комплектами преобразователей н реверсивномэлектроприводе постоянного тока, предназначенный для безтоконого переключения сигналон с датчика 19 положения;Ротора и согласования ренерсивных выходов регулятора 22 скорости и тока снеренерсинным входом системы 21 присмене знака результирующего сигналауправления (Мц -- 0.,;-О ), блок определения режима работы синхронной машины (двигательный или тормозной), состоящий из усилителя 24, используемогон качестве нуль-органа, логическихэлементов И-НЕ 25-29 и измерителя30 чередования Фаз, предназначенногодля определения направления вращенияротора синхронной машины, устройствотоковой блокировки, состоящее из логических элементов И-НЕ 31-36 и предназначенное для запрещения переключения состояния силовых элементов преобразователя, соответствующего двигательному режиму, н состояние, соответствующее тормозному, при наличиитока в силовой цепи (при нулевомсигнале датчика 2 тока), логическиеэлементы ИЛИ 37 (их число равно числу транзисторов инвертора), устройст 744861вс 38 управления транзисторами инвертсра, предназначенное для переключения сигналов с датчиком положе-, ния ротора при смене знака результирующего сигнала управления, релейный элемент 39, предназначенный для 5 выделения зоны низких скоростей тормозного режима, где затруднена естественная коммутация тока Фаз синхронной машины вследствие малой величины ЭДС вращения. 1 ОВсе логические элементы выполнены на транзисторах и-р-и проводимости. Полезным сигналом, открывающим тран" зисторные ключи, считается нулевой сигнал.15В исходном состоянии схемы напряжение задания скорости Оод равно нулю, напряжение на выходе выпрямителя 1 отсутствует и ток по секциям синхронной машины не протекает. Скорость двигателя равна нулю. На выходе устройства 39 и входах логических элементов И-НЕ 32-36 нулевой сигнал. При этом, на первом выходе устройства токовой блокировки (логический элемент 33) нулевой сигнал, 25 а на втором выходе (логический элемент 34) - единичный, не влияющий на работу логических элементов ИЛИ 37 от сигналов с датчика 19 положения ротора. При этом нулевым сигналом 30 с логического элемента 33 транзисторные ключи 3 и 4 открыты, Открыты также и два транзистора инвертора сигналом с датчика 19 положения в соответствии с заданным блоком 23 35 направлением вращения двигателя.Сигнал на выходе измерителя 30 чередования фаз и выходе блока определения режима работы двигателя (логический элемент 26) в первый момент не определен. Однако, благодаря наличию устройства 39 сигналы на выходе устройства токовой блокировки (логические элементы 33 и 34) соответствуют двигательному режиму работы вентильного двигателя.При подаче задающего напряжения О,с,д на выходе регулятора 22 появляется сигнал, углы управления системы 21 уменьшаются и на выходе выпрямительного моста 1 появляется напряжение. Одчовременно сигналом с блока 23 задания направления вращения углы на выходе устройства 38 устанавливаются соответствующими двигательному режиму работы( Я = 0) при заданном направлении вращения, два транзистора инвертора открыты и по двум секциям двигателя протекает ток, создавая вращающий момент. При повороте ротора на угол 60 электрических 6 О градусов на выходе датчика положения появляется сигнал на переключение секции двигателя, транзистор ,"екции, например, А(транзистор 5) закрывается, а транзистор 6 секции 65 В открывается. Энергия индуктивности рассеяния секции А, выходящей иэ рабсты, разряжается через неуправляемый выпрямитель 2, открытый транзистор ключа 4, транзистор инвертора и фазу С, остающуюся в работе.В дальнейшем описанный процесс иовтсряется через каждые 60 электрических градусов поворота ротора При этом результирующий сигнал д О = :О,ц- О на входе усилителя 24 имеет такую величину и знак, что усилитель 24 находится в режиме насыщения и на его выходе устанавливается максимальный сигнал, соответствующий логической единице. На выходе измерителя 30 чередования Фаз после прихода второго импульса с датчика положения ротора устанавливается единичный сигнал. При повышении скорости двигателя выше зоны нечувствительности нелинейного элемента 39 на его выходе устанавливается единичный сигнал и в дальнейшем он не влияет на работу схемы.Дальнейшие изменения сигналов на выходах устройства токовой блокировки возможны в Функции сигналов с блока определения режимов работы (с логического элемента 26) при нуле тока в силовой цепи (единичный сигнал на выходе датчика 17 тока),При снижении задающего напряжения Озал или смене его полярности меняется полярность на входе усилителя 24. При этом сигнал на его выходе уменьшается с максимального до нуля, а сигнал с измерителя 30 чередования фаз остается прежним и равным единичному. При несоответствии сигналов с усилителя 24 и с измерителя 3 чередования Фаз сигнал с выхода блока определения режима работы двигателя становится нулевым, так как на выходах логических элементов 25, 28 и 39 устанавливаются единичные сигналы, что соответствует тормозному режиму работы венти;:ьного двигателя, Однако, пока в силовой цепи преобразователя протекает ток на выходе датчика 2 тока устанавливается нулевой сигнал, который поступает на второй вход устройства токовой блокировки и никаких переключений в силовой схеме не происходит. Не происходит переключений и в регуляторах скорости и тока. При смене результирующего сигнала управления углы управления преобразователем уменьшаются до минимальных и выпрямитель 1 переходит в инверторный режим. Ток в силовой цепи уменьшается до нуля.После этого запрет на переключение с датчика 2 тока снимается (на его выходе появляется логическая единица) и сигнал на выходе логического элемента 33 становится единичным,а на выходе элемента 34 - нулевым, 7448 б 1что приводит к закрытию транзисторных ключей 3 и 4 и открытию всех транзисторов инвертора, Двигатель работает в тормозном режиме, отдавая энергию через выпрямитель 1 в питающую сеть, Перенапряжения на транзисторах инвертора в этом режиме отсутствуют, так как они полностью открыты, а коммутация тока фаз осуществляется за счет ЭДС фаз синхронной машины.Переключение двигателя из тормозного режима в двигательный происходит следующим образом.При увеличении задающего напряжения Оцд.сигналы на выходе усилителя 24 и измерителя 30 чередования фаз становятся одинаковыми, что приводит к появлению единичного сигнала на выходе логического элементао 2 б. Однако, смена знаков на выходе логических элементов 33 и 34, открытие транзисторов 3 и 4 и закрытие транзисторов инвертора происходит после снижения тока двигателя дб нуля и появления на выходе датчика 17 нулевого тока единичного сигнала. Лишь после этого на выходе логического элемента 31 появляется нулевой сигнал, вызывающий переключение статического триггера на логических элементах 32 и 33 и смену знаков на выходе логических элементов 33 и 34.Таким образом, закрытие транзисторов инвертора происходит без тока и перенапряжения на них в этот момент отсутствуют.На фиг. 2 ж - скорость двигателя, О. - задающее напряжение;ток в звене постоянного тока; О 7 ОзОуОу - напряжения на выходе 08, О 7 соответствующих эле"- ментов схемы.Использование предлагаемого изобретения позволяет исключить громоздкий блок защиты от перенапряжений транзисторов инвертора, снизить его массу и габариты и повысить коэффициент полезного действия вентиль- ного двигателя.Расчеты показывают, что при коммутации номинального тока фаз трех.фазной синхронной машины на номинальной частоте вращения при величине индуктивного сопротивления короткого замыкания фазы 0,1 относительной единицы и величине индуктивности сглаживающего дросселя в звене постоянного тока, в пять раз превышающей индуктивность короткого замыкания фазы синхронной машины, мощность, выделяемая во внешних устройствах (резисторы, ограничители перенапряжений), составляет 0,0874номинальной мощности двигателя. Формула изобретенияРеверсивный вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции которой подключены к регулируемому источнику ЭДС, состоящему, например,из управляемого выпрямителя, снабженного устройством импульсно-фазового управления и регулятором скорости и тока, через инвертор натранзисторах, базовые цепи которыхподключены через устройство управления инвертором к датчику положения ротора синхронной машины, тахометрическое устройство, мост обратного тока, подключенный зажимамипеременного тока на выходные зажимы инвертора, а зажимами постоян- Ы ного тока - через транзисторные ключи к одноименным зажимам регулируемого источника ЭДС, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения коэффициента полезного дейст вия вентильного двигателя, сниженияего массы и габаритов, дополнительно введены датчик нулевого тока, логические элементы ИЛИ, включенныемежду цепями управления транзисторов 30 инвертора и устройством управленияинвертором, блок определения режимаработы двигателя, состоящий, например, из пяти логических элементовИ-НЕ, измерителя чередования фаз иусилителя результирующего сигналауправления, устройство токовой блокировки, состоящее, например, изшести логических элементов И-НЕ, релейный элемент, подключенный на вы ход тахометрического устройства,причем выход блока определения режима работы двигателя подключен напервый вход устройства токовой бло,кировки, на второй вход устройстватоковой блокировки подключен выходдатчика нулевого тока, первый выходустройства токовой блокировки подключен на вход транзисторных ключей, а второй выход устройства токовой блокировки - ко вторым входам 50 логических элементов ИЛИ, выходрелейного элемента подключен на третий вход устройства токовой блокировкиеИсточники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Аракелян А, К. и др, Вентильныйэлектропривод с синхронным двигателем и зависимым инвертором. М., "Энергия", 1977, с. 8-13.2. Патент Японии У 51-14687,кл, 55 С 2, 197 б.