Реверсивный вентильный электродвигатель

Э СОВЕТСНИХЦИАЛИСТИЧЕСНИХ УБЛИН 19) (И) А 94 Н 02 06 Н 02 Р 6/02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИВНЫЙ ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Авторское свидетельство СССРВ 327552, кл, Н 02 К 29/06, 1972.Столов Л.ИАвиационные моментньдвигатели. М.: Иашиностроени, 1979с,58-60,(57) Изобретение относится к электртехнике и может быть использовано в системах управления объектов различного назначения, Целью изобретенияявляется повышение точности стабилизации частоты вращения. Указаннаяцель достигается тем, что в реверсивный вентильный электропривод введеныдва блока 14 и 15 сравнения, двафильтра 16 и 17 низких частот и двафильтра (Ф) 18 и 19 высоких частот,Введение указанных блоков обеспечивает наличие отрицательной обратнойсвязи и исключает влияние на частоту вращения изменения параметровдатчика 9 положения2 з.п. ф-лы,5 ил.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления объектов различного назначения со стабилизированной частотой вращения, 5Целью изобретения является повышение точности стабилизации скоростивращения,На Фиг.1 представлена блок-схемареверсивного вентильного электроприЮвода; на фиг.2-4 - варианты выполнения эадатчика скорости, датчика положения и источника переменного тока,на Фиг.5 - принципиальная электрическая схема электропривода.15Реверсивный вентильный электродвигатель содержит синхронную машину 1с постоянными магнитами на роторе 2и двухфазными обмотками 3 и 4 якоряна статоре, одна из которых подключена к выходу усилителя 5 мощности,а другая - к выходу усилителя 6 мощности, и Фазочувствительные выпрямители 7 и 8. На валу синхронной маши"ны установлен датчик 9 положения,выполненный в виде вращающегося трансформатора с обмоткой 10 возбужденияи синусной и косинусной обмотки 11и 12. Обмотка 10 возбуждения датчика9 положения подключена к выходу задатчика 13 скорости, Электродвигательснабжен двумя обмотками 14 и 15 срав -нения, фильтрами 16 и 17 нижних час-.тот и фильтрами 18 и 19 верхнихчастот, 35Задатчик 13 скорости может бытьвыполнен в виде источника 20 переменного тока (фиг.2), источника 21постоянного тока и сумматора 22,входы которого подключены к выходамисточников 20 и 21, а выход сумматора образует выход задатчика скорости;Кроме того, датчик положения может быть снабжен дополнительной об моткой 23 возбуждения (фиг,З), подключенной к выходу задатчика 13 скорости, образованному выходом источника 21 постоянного тока, при этом основная обмотка 10 возбуждения дат чика 9 положения подключена к выходу задатчика скорости, образованному выходом источника 20 переменного тока,В качестве сумматора 22 может быть 55 использован суммирующий операционный усилитель или сумматор на резисторах.Источник 20 переменного тока(Фиг,4) может быть выполнен, например, в виде потенциометра 24, запитанного постоянным напряжением Средняя точка потенциометра 24 подключена к общей шине 25, а движок соединен с входами операционного усилителя 26 с единичным коэффициентом усиления, неинвертирующий вход которого соединен также с общей шиной 25 через ключ, выполненный на транзисторе 27, На базу транзистора 27 через резистор 28 подается опорное напряжение Б , В качестве опорного напряжения Б, может быть использовано напряжение сети переменного тока, например 400 Гц или другое, специально сформированное напряжение переменного тока прямоугольной или синусоидальной формы, обеспечивающее коммутацию ключа на транзисторе 27, Выход операционного усилителя 26 соединен с обмоткой 10 возбуждения датчика 9 положения.Кроме того, источник 20 переменного тока (фиг,4) может быть выполнен, например, в виде трансформатора 29, на первичную обмотку которого подается опорное напряжение Б , а вторичная обмотка соединена с потенциометром 30, движок которого подключен к обмотке 10 возбуждения датчика 9 положения Средние точки трансформатора 29 и потенциометра ЗО соединены с общей шиной 25,Источник 21 постоянного тока (фиг.З) выполнен в виде потенциометра 31, запитанного постоянным напряжением Б, Движок потенциометра соединен с дополнительной обмоткой 23 возбуждения датчика 9 положения. Фазочувствительные выпрямители7 и 8 (фиг,5) могут Сыть выполнены,например, на базе операционных усилителей 32 и 33 с единичным коэффициентом усиления, входы каждого изкоторых соединены соответственно свыходами фильтров 18 и 19 верхнихчастот, а неинвертирующие входы соединены с общей шиной 25 через ключи,выполненные на. транзисторах 34 и 35,На базы транзисторов 34 и 35 поданоопорное напряжение Цчерез резисторы 36 и 37,Выходы операционных усилителей32 и 33 соединены с входами блоков14 и 15 сравнения через Фильтры нижних частот, выполненные, например,на резисторах 38 и 39 и конденсаторах 40 и 41. Могут также применяться12971ЬС-Фильтры или Фильтры высших порядков.В фазочувствительных выпрямителях 7 и 8 (Аиг.5) должно использо -ваться то же опорное напряжение, что 5используется в источнике 20 переменного напряжения (фиг.З и 4), либоэти напряжения должны быть строгосинхронизированы по частоте и фазе.Первый 14 и второй 15 блоки сравнения (Аиг,5) могут быть выполненына операционных усилителях 42 и 43,неинвентирующие входы которых соединены соответственно с выходами Аазочувствительных выпрямителей 7 и 8,а инвертирующие входы подключенысоответственно к выходам Фильтров16 и 17 нижних частот,В качестве блоков 14 и 15 сравнения могут также использоваться иусилители 5 и б мощности, в случаеесли входной каскад этих усилителейвыполнен на операционных усилителях,имеющих инвертирующий и неинвертирующий входы.Фильтры 16 и 17 нижних частот могут быть выполнены, например, в виде пассивных фильтров на резисторах 44 и 45 и конденсаторах 46 и 47. Ио гут быть также использованы ЬС-Фильтры, многозвенные Фильтры высших порядков или активные Аильтры нижних частот, Для увеличения коэффициента передачи фр оследоватеьно с ними могут быть включены операционные усилители,Фильтры 18 и 19 верхних частот(Аиг,5) выполнены, например, в видетрансАорматоров 48 и 49, Могут бытьиспользованы также разделительныеконденсаторы или любые активныеАильтры верхних частот,Реверсивный вентильный электродвигатель работает следующим образом.При подаче напряжений Б, и У по-,стоянного тока (Фиг,З и 4) и напряжения Бо переменного токаПоо Аозпыф (1)где И - частота опорного напряжения,источник 20 переменного тока формирует напряжение уставки скоростиУ - -Л з пиС. (2)Б источнике 20 переменного тока(фиг,4) это напряжение Формируетсямодулятором на операционном усилителе 26, либо снимается с вторичнойобмотки трансформатора 29 (фиг.4). 86 4Напряжение (2) уставки скоростисоздает в обмотке 10 возбуждениядатчика 9 положения (фиг,2 и 3) ток1Пго С 1 Ага(3),где Ь - индуктивность обмотки 10 возбуждения,Последнее выражение справедливо,если пренебречь активным сопротивлением обмотки 10 возбуждения датчика9 положения, что обычно выполняетсяв датчиках положения моментных вентильных электродвигателях при достаточно высокой частоте И опорного напряжения.Напряжение Б, источника 21 постоянного тока создает в обмотке 12возбуждения постоянный ток 1 г , равЬ фнныи1 р, " ф (4) где К - активное сопротивление обмотки 10 возбуждения (привыполнении задат-.ика 13 скорости по Фиг.2) или обмотки23 возбуждения (при выполнении задатчика 13 скорости пофиг.З)Потокосцепление г синусной и косинусной обмоток 11 и 12 вращающегося трансформатора (фиг,З) определяется токами первичных обмоток 10 и23 в соответствии с выражениямиЧп =К(1 г, + 1 ) зхп(шар+ 0) ,1,г =К (1 л + 1 го ) соз(все+ 8 ); (5)где с - угол поворота ротора;ш - число пар полюсов (числоэлектрической редукции) вра-.щающегося трансформатора,В - пространственный сдвиг фазК- коэффициент, определяемыйсхемой намотки, геометрическими размерами и характеристиками магнитопровода вращающегося трансАорматора.В дальнейшем будем считать пространственный сдвиг фаз 6 =О, что дости"гается начальным разворотом статора вращающегося трансформатора.По закону электромагнитной индукции ЭДС, наводимая в синусной и косинусной обмотках 11 и 12, равнаЕ (6)йсПредполагая достаточно большую величину сопротивления нагрузки (режим холостого хода), получим напряжение на выходе синусной обмотки 11(12)Синфазная (9) и квадратурная (10)составляющие определяются относительно Фазы опорного напряжения БАналогично можно получить выражение для напряжения на выходе косинусной обмотки 12:0 г = 0 г(с) + П г(к 1 + Пы; (13)где Уи(с 1 =КаАго я 1 писовпн 1; (14)Пг =Ка Аг, совсойсояшср; (15)Б = К Бг, Л, ядгнпс, (16) 35Для нормальной работы вентильногоэлектродвигателя частота опорногонапряжения выбирается гораздо большечастоты вращения синхронного двигателя 1 (обычно на два порядка) 40И ) ,г,Такйм образом, высокочастотныесоставляющие (9), (10), (14), (15)и низкочастотные составляющие (11),(16) синусных и косинусных обмоток 4511 и 12 могут быть легко разделеныфильтрами вер.сних 18 и 19 и нижних16 и 17 частот (фиг.1 и 5), на выходах которых получим напряженияПщ =КвП ф Пп =КДг, (17) 50В блоках 14 и 15 сравнения иэ этих напряжений вычитаются напряжения Б и У , выделенные фильтрами 16 и 17 нижних частот. Полученные сигналы рассогласования после усиления в усилителях 5,и 6 мощности поступают на фазные обмотки 3 и 4 синхронного двигателя 1 в виде Фазных напряжений;Б=КК Йт-У) =А,вхпшср; (21)Уь =КК .(Уц-П )=А,совтпср, (22) где А=К, К.Ис(Р) КьКа Аго-Й(р)К" Бг й - амплитуда Фазных напряжений,К - коэффициент усиления усилителей 5 и 6 мощности,К - коэффициент, передачи блоЕков 14 и 15 сравнения. В сбответствии с принципом действия вентильного электродвигателяэти напряжения образуют в расточкестатора синхронной машины 1 вращающееся магнитное поле, которое создает вращающий момент двигателя, приводящий ротор 2 во вращение с частотой, пропорциональной амплитуде Фазных напряжений П и Пв, Следовательно,=Квд Ар=Кп 1" (Р) КРаАг о 1 ос (Р) 4,(23)где К - коэффициент, определяемыйконструктивными параметрами синхронной машинь 1,д ,р с о (Р) 1(Р) К а Бг 1 (24)Решая уравнение (23) относительно й , получим к,и (р)к,к, 1+КМ., р 7 " Лос (Р) У ( )Апр гог(25) ир(р)где Иа(Р)- Т 1 ( ,-КвКаас РДля нормальной работы устройства необходимо выполнение следующих условий; 6 6синфазных сигналов (9), (14) на выходах фильтров 18 и 19 верхних частот и подавляют квадратурные составляющие сигналов (10), (15)Цт=ир(Р)Кь Ка Агов 1 птсР(19) 08 19(Р)КВ Ка Аго сояшЧ(20) где 1 (Р) - передаточная функцияфазочувствительных выпрямителей 7 и 8,35 7 12971К,=/КЫ (р)/1, (26)аг 8 И (р)=аг 8 М (р), (27)где К - глубина обратной связи поскорости.Первое условие (26) означает, что 5глубина обратной связи по скоростидвигателя выбирается достаточно боль.шой, Это достигается, например, подбором коэффициента усиления К усилителей 5 и 6 мощности, а также регулировкой напряжения Бд постоянного тока, выполняемой потенциометром31 (фиг.З),Второе условие требует равенствафазочастотных характеристик фильтров1516 и 17 нижних частот и фазочувствительных выпрямителей 7 и 8, что достигается выбором параметров фильтров.16 и 17 нижних частот, либо ЕС-фильтров на элементах 38-41, входящих всостав фазочувствительных выпрямителей 7 и 8 (фиг.5).Тогда при выполнении условий (26)и (27) выражение (25) примет вида = КА, (28)где К=И (р) - - К -- /К К, (29)ос рТаким образом, предлагаемое устройство поддерживает скорость реверсивного вентильного электродвигателяпропорционально амплитуде А о напряжения переменного тока на обмотке 10возбуждения датчика 9 положения,т.е. напряжения уставки скорости.При этом плавное изменение скоростивентильного электродвигателя и егореверс осуществляются, например, потенциометром 24 (фиг.З) или потенциометром 30 (фиг.4), 40Положительный технический эффектот применения предлагаемого изобретения заключается в повышении точности стабилизации скорости (частоты) вращения электродвигателя путем 45введения отрицательной обратной связи по частоте вращения.В процессе эксплуатации изменениемомента нагрузки, температуры окружающей среды или других возмущающихфакторов приводит к изменению коэффициентов передачи двигателя Кпили усилителей мощности К, вызывающих в соответствии с (24) изменениекоэффициента К на величину ьК. 55При наличии отрицательной обратной связи с глубиной К относительноеизменение частоты вращения Яа, какследует иэ (25). будет в К раз 86меньше 8 й =К/Кгде 8 К=дкпВТаким образом повышение точности стабилизации частоты вращения достигается в устройстве также за счет уменьшения влияния изменения параметров вращающегося трансформатора за счет исключения ошибки, вызванной изменением размеров и характеристик магнитопровода, так как эти изменения влияют в одинаковой степени на прямой канал и канал обратной связи.формула изобретения1. Реверсивный вентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря на статоре, датчик положения выполненный в виде вращающегося трансформатора с обмоткой возбуждения, синусной и косинусной обмотками, механически соединенный с ротором синхронной машины, задатчик скорости, выходом связанный с обмоткой возбуждения дат. чика положения, два фазочувствительных выпрямителя, два усилителя мощности, выход каждого из которых подключен к соответствующей фазной обмотке якоря синхронной машины, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности стабилизации скорости вращения, в него введены два блока сравнения, каждый из которых по первому входу и выходу включен между соответствующим фазочувствительным выпрямителем и усилителем мощности, два фильтра верхних частот, один из которых включен между синусной обмоткой датчика положения и первым фазочувствительным выпрямителем, а другой - между косинусной обмоткой датчика положения и другим фазочувствительным выпрямит лем, и два фильтра нижних частот, вход первого из которых подключен к синусной обмотке датчика положения, выход соединен с вторым входом второго блока сравнения, вход второго фильтра нижних частот подключен к косинусной обмотке датчика положения, а выход соединен с вторым входом первого блока сравнения.2, Электродвигатель по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что задатчик скорости выполнен в виде источника переменного тока, источника. по1297186. йо Я стоянного тока и сумматора, два входа которого соединены с выходамиуказанных источников, а выход сумматора образует выход задатчика скорости. 3. Электродвигатель по п.1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что датчик положения снабжен дополнительной обмоткой возбуждения, а задатчик скорости выполнен в виде источника переменного тока, выход которого является первым выходом задатчика скорости, 5 и источника постоянного тока, выходкотсрого образует второй выход задатчика скорости и подключен к дополнительной обмотке возбуждения датчика положения.1297186 актор Ю.Серед з 792/5 исное Пота СССРытий оми 4/5 ск Ь)д) 1 ь Ф Составитель А.Головченко Техред Л.Сердюкова КорректорЛ.Патай Тираж 661 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Р