Реверсивный вентильный электродвигатель

(54) (57) РЕВЕРСИВЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬтор с обмоткой якоиены с выходом однникового коммутато ГОСУ ЛРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР дПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) 1. Патент США Иф 3531702,кл. Н 02 К 29/00, 1970.2. Патент США Яе 4088932,кл. 318.138, 1978. НЫИ ВЕНТИЛЬНЫЙ , содержащий ротор, стая, секции которой соедиополярного полупроводра, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора, блок изменения мо. дуля скорости, выполненный в виде выпрямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр низких частот, задатчнк скорости вращения, сумматор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения устойчивости, он снаб, жен дополнительно блоком изменения знака и дифференцнрующим звеном, причем блок изменения знака подключен между выходом фильтра и первым входом сумматора, его управляющий вход подключен к выходу за.датчика скорости, связанному через диффе. ренцируюшее звено с вторым входом сумматора.1Изобретение относится к электрическиммашинам, а именно к электрическим двигателям постоянного тока с бесконтактной коммутацией, осуществляемой с помощью нолупводниковых приборов, и может быть использовано, преимущественно, в электрических ма.шинах, работающих в качестве реверсивныхмоментных двигателей систем управленияобъектов различного назначения со стабилизированной скоростью вращения,Известен реверсивный вентильный электродвигатель, содержагций ротор, статор, датчикположения ротора (ДП) и электронный ком.мутатор, в котором коммутация секции якоряосуществляется дискретно по сигналам ДП им.нульсного типа М 1,Недостатком такого электродвигателя является нестабильность скорости вращения, вызванная пульсацией вращающего момента вслествие дискретности коммутации,Наиболее близким к предлагаемому потехнической сущности является реверсивныйвентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, секции кото.рой соединены с выходом полупроводниково.го коммутатора, управляющие цени ключейкоторого соединены с выходом датчика положения ротора, блок измерения модуля скорости вращения, выполненный в виде выпрямителя фазных ЗДС, нагруженного на фильтр,задатчик скорости и сумматор 2),Недостаток известного двигателя заключается в низкой устойчивости работы при ревер.се.Цель изобретения - повышение устойчивости работы двигателя.Поставленная цель достигается тем, что иэ.вестньй реверсивный вентильный электродви.гатель, содержащий ротор, статор с обмоткойякоря, секции которой соединены с выходомоднополярного полупроводникового коммутатора, управляющие цепи ключей которого соединены с выходом датчика положения ротора,блок измерения модуля скорости, выполненный в виде выпрямителя фазных ЭДС, нагруженного на фильтр низких частот, задатчикскорости вращения и сумматор, дополнитель.но снабжен блоком изменения знака и диффе.ренцирующим звеном, причем блок изменениязнака подключен между выходом фильтра ипервым входом сумматора, его управляющийвход подключен к выходу задатчика скорости,связанному через дифференцирующее звенос вторым входом сумматора,На фиг. 1 представлена функциональнаясхема реверсивного вентильного двигателя;на фиг. 2 - пример схемы однополярного усилителя постоянного тока; на фиг. 3 . частьпринципиальной электрической схемы реверсив 1046864 2ного вентильного двигателя, на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняюшие работу устройства при одностороннем вращении; наро фиг, 5 . то же, нри реверсе.Реверсивный вентильный электродвигательсодержит (фиг.1) задатчик 1 скорости с выходом на постоянном токе, модулятор 2, двухфазную синхронную машину 3 с постояннымимагнитами на роторе 4 и двумя секциями 510 и 6 обмотки якоря, расположенной на статоре, а также синусо-косинусный вращающийсятрансформатор 7 (являющийся датчиком по.ложения ротора 4), первичная обмотка 8 кото.рого подключена к выходу модулятора 2, авторичные синусная 9 и косинусная 10 обмот.ки через фазочувствительные выпрямители 11и 12 и усилители 13 и 14 постоянного токаподключены к первым выводам 15 и 16 секцийд и 6 обмотки якоря,Вентильный двигатель дополнительно снаб.жен последовательно включенными блоком 17измерения модуля скорости вращения, блоком18 изменения знака, образующими тахометри.ческую обратную связь и подключенными кпервому входу дополнительно веденного эле.мента 19 сравнения, а также дифференцирую)щим звеном 20, включенным между задатчиком 1 скорости и вторым входом элемента19 сравнения. Управляющий вход блока 18изменения знака через релейный элемент 21ЗОтакже подключен к выходу задатчика 1 ско.рости, Кроме того средние точки каждой секции 5 и 6 обмотки якоря синхронного двигателя 3 соединены с общей шиной 22, а вторые выводы 23 и 24 соединены через допол 35 нительные усилители 25 и 26 постоянного тока и последовательно с ними включенные инверторы 27 и 28 с выходами соответствующихфаэочувствительных выпрямителей 11 и 12,Все усилители 13, 14, 25 и 26 выполнены од 40 нонолярными, т.е. их выходные напряженияимеют один знак,Блок 17 измерения модуля скорости вращения выполнен в виде четырех диодов 2932, отрицательные электроды которых подклю 45 чены к вьводам 15, 23, 16 и 24 секций 5 иб якоря, а положительные электроды соединены вместе и подключены к фильтру ЗЗ нижних частот, выполненному, например, в видеЯС=или 1 С:=фильтра. Направление включения50 диодов 29, 30, 31 и 32, указанное на фиг. 1,соответствует случаю положительной поляр.ности (относительно общей шины 22) напряжений на выходах однополярных усилителей13, 14, 25 и 26. В случае применения усилителей 13, 14, 25 и 26 постоянного тока с от.рицательной полярностью выходных напряжений направление включения диодов 29 - 32должно быть изменено на противоположное.3 10Однополярные усилители 13 14, 25 и 26 могут быть выполнены, например, в виде опе. рационного усилителя 34, (фиг.2), входы кото. рого через резисторы 35 и 36 соединены соот. ветственно с инвертирующим 37 (вход 11) и неинвертирующим 38 (вход 1) входами усилителя, а выход через транзисторы 39 и 40 подключен к выводу 15 секции 5 обмотки якоря синхронного двигателя 3. Резисторы 41 и 42 служат для выбора рабочих режи. мов транзисторов 39 и 40, а резистор 43 обра. зует цепь отрицательной обратной связи. Транзистор 40 подключен к источнику питания положительной полярности+ О,. При этом выход фазочувствительного выпрямителя 11 дол. жен быть подключен к неинвертируюшему входу 38, а инвертируюший вход 37 должен быть соединен с общей шиной 22, Аналогично вы. полнены и усилители 14, 25 и 26. Инверторы 27 и 28 выполняются, например, на операционном усилителе. Однако вместо инверторов 27 и 28 может быть использован инвертирующий вход 37 (вход 11) усилителей 25 и 26. При этом неинвертирующий вход 38 (вход 1) этих усилителей должен быть соединен с общей ши.ной 22.Блок 18 изменения знака (фиг, 3) содер скит операционный уеилитель 44 с единичным коэффициентом усиления, оба входа которого соединены с выходом фильтра 33 нижних частот, а неинвертирующий вход соединен с общей шиной 22 через ключ, выполненный на транзисторе 45 База транзистора 45 через релейиый элемент 21, выполненный на компараторе 46, подключена к выходу задатчика 1 ско рости, Элементом 19 сравнения служит операционный усилитель 47, а дифференцируюшая цепь выполнена, например, на резисторе 48 и конденсаторе 49.Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим образом.Сигнал уставки скорости О, (фиг. 1), выработанный задатчиком 1 скорости, пройдя через дифференцируюшую цепь 20, сравнивает. ся в элементе 19 сравнения с сигналом обратной связи Оос. Полученный при этом сигнал ошибки О поступает через модулятор 2 на первичную обмотку 8 вращающегося трансформатора 7, в результате чего на его вторичных обмотках 9 и 10 вырабатываются напряжения, изменяющиеся по гармоническому закону, но сдвинутые друг относительно друга на90 эл. град, Пройдя через соответствующие фазочувствительные выпрямители 11 и 12, эти напряжения (О и Ов ) (фиг. 4 д и Ь ) поступают на усилители 13, 14, 25 и 26. Так как усилители имеют однополярный положительный выход (фиг, 2), то на выходах уси. лителей 13 и 14 появляется напряжение толь 46864 4 ко при положительной полуволне входных напряжений 0 и О, а на выходах усилителей 25 и 26 (которые включены через инверторы 27 и 28)только при отрицательной полуволне входных напряжении О и Ое (фиг. 4 сэти рабочие полуволны выходных напряжений показаны сплошной линией и заштрихованы). В друтие полупериоды соответствующие усилители закрыты и на их выходах напряжения отсутствуют. Так как секции 5 и 6 обмотки якоря сдвинуты одна относительно другой на 90 эл. град., а половины этих секций включе. ны встречно, то каждая секция создает магнит. ный поток, изменяющийся по гармоническомузакону, Сумма этих потоков образует вращающееся магнитное лоле в расточке статора взаимодействие которого с полем, образуемым постоянными магнитами ротора 4; создает постоянный вращающий момент электродвига-теля, приводящий его ротор 4 во вращение.Таким образом, в рабочие полупериоды (на фнг. 4 С заштрихованы) напряжения О, 0, О,и 04 обеспечивают непрерывное враще. ние ротора 4 синхронного двигателя 3, В нера бочие полупериоды в секциях 5 и 6 обмотки якоря наводятся ЭДС вращения отрицательной полярности (на фиг. 4 с т штриховая линия), которые через диоды 2932 поступают на вход фильтра 33 нижних частот и суммируются на нем, образуя напряжение О (фиг, 4 ). 5 10 15 20 25 30 При реверсе вентцльцый электродвигательработает следующим образом.Если предположить, что по момента т,(фцг. 5 о ) напряжение уставки скорости Оу Среднее значение этого напряжения О, выделенное фильтром 33 нижних частот и пропорциональное модулю скорости вращения ротора4, поступает на блок 18 изменения знака. Если35предположить, что ключ, собранный на тран.зисторе 45 (фиг, 3), открывается напряжениемотрицательной полярности и закрывается напряжением положительной, то при положительной полярности уставки напряжения Оу и ин 40вертирующем включении релейного элемента21 транзистор 45 открыт, поэтому оиерацион.ный усилитель 44 работает в цнвертирующемрежиме,и напряжение обратной связи О =;01имеет положительную полярность, При отрицательной полярности напряжения О у уставки45скорости транзистор 45 закрыт, операционныйусилитель 44 работает в неинвертцрующем режиме ц напряжение обратной связи Оо = 01т.е, имеет отрицательную полярность. Такимобразом, знак напряжения обратной связи всегда совпадает со знаком напряжения уставки,поэтому напряжение 08 на выходе элемента 19сравнения (фиг. 3) пропорционально их раз.ности, т.е. ошибке системы регулирования скорости, 1046864положительно, то в момент реверса 1оно меняет свой знак. Тогда напряжение 01 на выхр. де дифференцирующего звена 20 имеет вид от. рицвтельного импульса фиг. 5 Ь ) с экспонен. циально спадающим задним фронтом. В момент реверса 1 напряжение обратной связи О так. же изменит свой знак (фиг. 5 с ), потому что блок 18 реверса, работает таким образом, что знак Оо всегда соответствует знаку О . Лалее вид напряжения О отражает вид модуля ско О рости вращения Я двигателя, которая определяется напряжением ошибки Об, Так как напряжение ошибки равно15то в момент реверса это напряжение также будет иметь вид отрицательно экспоненциаль.но спадающего импульса (на фиг, 5 показа.но штриховой линией), Фактически в связи с насыщением операционного усилителя 47 элемент 19 сравнения (фиг. 3) напряжение ошибки О при реверсе в течение промежутка времени т,з - т 2 ограничено некоторым, максимальным напряжением насыщения О , 25 (фиг. 5 д), которое приводит к ограничению выходных напряжений 01 - Ц 1 усилителей 13, 14, 25 и 26 (фиг, 2), Насыщение может наступить и вследствие ограничений в модуляторе 2 или самих усилителях 13, 14, 25 и 26, причем его можно подобрать таким образом.что реверс двигателя в течение времени- 12 ьудет производиться при максимальоно возможных выходных напряжениях усилителей 13, 14, 25 и 26. При этом скорость дви.35 гателя Я эа время м, - 1 уменьшится до нуля, а затем изменит свой знак (фиг, 5 е ).Подбирая параметры дифференцирующего звена 20 (например, резистора 48 и конденсатора 49 на фиг. 3), можно менять форму напряжения ошибки при реверсе, в частности период насыщения то - т и тем самым наменять скорость переходного процесса и даже его форму, обеспечивая, например, переходный процесс с перерегулированием. При этом, как показал эксперимент, оптимальным является выбор постоянной времени дифференцирующе-го звена Т 1. (0,5 - 1) Т ьгде Т - электромеханическая постоянная времени электро. двигателя; .Кроме того, экспериментальные исследо. вания показали, что дифференцирующее звено не только изменяет параметры переходного процесса, но и предотвращает неустойчивую работу вентнльного электродвигателя, Действительно, если к моменту реверса то (фиг. 5) напряжение ошибки О имеет по какой - либо причине отрицательный знак (например, при на. личин внешних возмущающих моментов нагруз ки или других воздействий, вызывающих пуль. сацию скорости вращения), то в момент ревер. са 1 напряжение ошибки 08 изменяет свойо знак на положительный, что вызывает не тор. можение двигателя, а его разгон в том же направлении, вследствие чего скорость вращения Я начинает возрастать. Это приводит к еще большему увеличению положительного значе. ния напряжения ошибки и дальнейшему разгону двигателя вплоть до максимально возможной скорости, когда двигатель становится неуправляемым. Таким образом, при отсутствии дифференцирующего звена возможна неустой.чивая работа двигателя при реверсе, При на личин днфференцирующего звена такая неустойчивость отсутствует, так как с учетом рассмотренного выше насыщения (фиг, 5 с 1 ) при реверсе цепь обратной связи перестает влиять на напряжение ошибки О и знак напряжения ошибки будет определяться толь. ко знаком напряжения уставки скорости О.Ъ у1046864 Составитель А. СанталТехрсд М.Гергель Филь рректор А Повн акто аказ 7447/5 Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектн Тираж 687В 11 ИИПИ Государственного комипо делам изобретений и откр13035, Москва, Ж, Раушская на Подписноетета СССРий