Датчик положения ротора электрической машины

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛ ИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 14589 19) 02 К 29/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМПРИ ГКНТ СССР ЗОБРЕТЕНИЯДЕТЕЛЬСТВУ(71) Всесоюзный научно-исследовательской институт электромашиностроения и Ереванский политехнический институт им. К.Маркса(56) Авторское свидетельство СССР .9 921006,кл Н 02 Р 1/50 .1981Авторское свидетельство СССР В 392327, кл. Н 02 К 29/06, 1968, (54) ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ РОТОРА ЭЛЕК-ТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильном электроприводе, системах управления электрических машин, в вентильных двигателях и асинхронизированных синхронных машинах Целью изобретения является расширение функ-: ся ОПИСАНИЕ й АВТОРСКОМУ С возможностей. В датчикевыключатель 4 в цепимашины. Введены генераой частоты, источник 8 пряжения, одновибратор 9 ль 10 сброса. В каждую ы полосовой фильтр 11,демодулятор 12 тока, упомпаратор 13, компаратор 15 и элемент совпадения ой фазе статорной обмотется измерительный ток тоты, который модулируеттуде полюсной системой этого тока выделяются мосигналы, которые преобра- с модные сигналы датчика отора. Датчик приводится положение соответствуюму положению ротора в мо- С ния, сигналом, наведеннымобмотке, в момент вклюуждения. 4 ил.9 юаф цио нал ьных использует возбуждени тор 7 высо опорного н и выключат фазу,введе амплитуднын ранляемый 14, тригге И 16. В кажд кн пропуск высокой ча ся по ампл машины. Из дулирующие зуются в в положения в исходное щее исходи мент включ в статорно чения возбИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильном электроприводе, системах управления электрических машин,5 в вентильных двигателях и асинхронизированных синхронных машинах.Целью изобретения является расширение функциональных возможностей датчика положения ротора. 10На фиг.1 приведена электрическая. структурная схема датчика положения ротора электрической машины; на фиг.2 - временные диаграммы напряже: ний и токов В его узлах на фиг 3 временнйе диаграммы, поясняющие.работу определителя начального положения ротора на фиг.4 - принципиальная электрическая схема датчика.Вкачестве электрической машины 2 О рассматривается синхронный двигатель с бесщеточной системой возбуждения. Машина содержит синхронный двигатель с обмоткой 1 якоря, обмоткой 2 индуктора и асинхронный возбудитель, уста новленный на валу машины (фиг.1). Обмотка якоря двигателя соединена с источником переменного тока регулируемой частоты и напряжения, например с тиристорным преобразователем частоты. Фазы обмотки и источника обозначены А, В, С. Асинхронный возбудитель содержит статорную обмотку 3 возбуждения, которая соединена с источником переменного тока с напряже нием 0 з через выключатель 4 с нормально открытыми контактами, и ротор-. ную обмотку 5 якоря, которая соеди- нена с роторной обмоткой 2 индуктора двигателя через .выпрямитель 6, уста( новленный на роторе машины. Датчик положения ротора содержит выключатель 4 в цепи обмотки возбуждения .возбудителя, генератор 7 высокой частоты, источник 8 опорного напряжения, одно вибратор 9, выключатель 10 сброса, а также в каждой фазе полосовой фильтр 11, амплитудный демодулятор 12 тока, управляемый компаратор 13, компаратрр 14, триггер 15 и элемент совпадения И 16.На временных диаграммах фиг.2 изображены: Б - измерительное напряжение высокой частоты, приложенное к обмотке статора, зп р - угловое положение ротора, изображенное сину" соидальной функцией угла между осью полюса ротора и плоскостью эквивал лентного витка данной фазы обмотки статора Е - модулированный измерительный ток в цепи обмотки статора;1 - выпрямленный модулированньй токв амплитудном демодуляторе, тока,У внапряжение на выходе амплитудного демодулятора тока; Уь - сигналы на выходе управляемого компаратоРа, Б - напряжение на основном вы"ходе триггера, соответствующее нахождению полюса положительной полярности в зоне полюсного деления даннойфазы статора, О. " напряжение на инверсном выходе триггера; соответствующее нахождению полюса отрицательнойполярности в зоне полюсного деленияданной фазы статора. Сигналыб и Бявляются выходными сигналами датчика.На диаграммах фиг.З изображеныф- напряжение возбуждения, приложенное к обмотке индуктора синхронной машины; на фиг.Зб - угловое положение ротора, изображенное синусоидальной функцией угла между осью полюса ротора и плоскостью эквивалентного витка фазы обмотки статора, диаграмма изображает процесс разгонаротора от неподвижного состояния,Б - импульс напряжения, наведенного в статорной обмотке при включениинапряжения возбуждения, 0 д - сигнал на выходе компаратора; 119 - сигнал на выходе одновибратора, Б 6сигнал на выходе элемента совпадения И, который подается на установочный вход триггера, У, - сигналы навыходе управляемого компаратора, которые подаются на счетный вход триггера; П, - напряжение на основномвыходе триггера, соответствующее нахождению полюса положительной полярности в зоне полюсного деления данной фазы статора. Левая часть диаграммы соответствует тому исходномуположению ротора, когда в зоне полюсного деления фазы статора находитсяполюс положительной полярности(О С фЪ ), а правая часть - полюсотрицательной полярности ( с2 й),На фиг.4 изображены также трансформатор 17 и выключатель с нормально закрытым контактом 18 и нормальнооткрытым контактом 19.Датчик положения ротора работаетследующим образом,Группа элементов 7, 8, 11,. 12, 13,15 предназначена для фиксированиямоментов прохождения ротором нейтрали (или другого заданного положения)58946 10 15 20 30 35 40 45 50 55 3 14 и вырабатывания соответствующих сиг" налов переключения и выходных сигналов. Группа элементов 9, 10, 14, 16 представляет собой определитель начального положения ротора, который предназначен для определения начального положения ротора, которое он занимает в момент включения датчика, и приведения датчика в соответствующее начальное положение.Перед включением датчик положения ротора устанавливается в исходное состояние, когда на инверсном выходе триггера 15 (на выходе датчика) уста" навливается единица, а на основном выходе - нуль. Эта установка выполняется подачей на вход сброса тригге" ра кратковременного установочного им. пульса. Установочный импульс подается посредством выключателя 10, который кратковременно включается, а затем отключается,до включения датчика в работу. Вместо выключателя 10 может быть использована кнопка для кратковременного нажатия, а также может быть предусмотрено автоматическое замыкание и размыкание контакта 10 перед включением датчика.Сигналы переключения в соответ.ствии с положением ротора вырабатываются следующим образом. Измерительное напряжение высокой частоты(фиг.2 а) от генератора 7 высокой частоты через соответствующие амплитудный демодулятор 12 тока и полосовой фильтр 11 прикладывается к фазе статорной обмотки 1 якоря синхронного двигателя. Это измерительное напряжение вызывает в цепи: генератор высокой частоты в .:амплитудный демодулятор тока - полосовой фильтр - обмотка якоря измерительный ток высокой частоты (фиг,2 в), который модулирован по амплитуде полюсной системой машины в соответствии с положением ротора (фиг2 б). Минимальная амплитуда модулированного тока соответствует совпадению осей обмотки статора и полюса (соответственно на фиг.2 б, Зб угол ф = Х/2, 3 Г/2), а максимальная амплитуда - сдвигу осей на электрический угол Т(/2 (у = О,Т, 2 Ф), Далее этот ток высокой частоты демодулируется в амплитудном демодуляторе 12 тока: сначала выпрямляется (фиг.2 г), потом преобразуется в напряжение и сглаживается (фиг.2 д). Для этого в демодуляторе в цепи тока имеется резистрр,параллельно которому подключен конденсатор; напряжение на конденсаторепредставляет собой выходное напряжение демодулятора. Из демодулированного напряжения (Фиг.2 д) выделяютсясигналы, определяющие положение ротора. Для этого напряжение с выходадемодулятора подается на вход управ-,ляемого компаратора 13, где сравнива; ется с напряжением источника .8 опорного напряжения, поданным на второй вход управляемого компаратора. В мо-. менты времени, когда демодулированное напряжение превосходит управляющееопорное напряжение, на выходе управляемого компаратора вырабатываетсясигнал (фиг.2 д, е), который подаетсяна вход триггера и переключает егов соответствии с положением ротора(Фиг.2 ж, и),Как следует из диаграммы фиг.2,если уровень управляющего напряжения1выбран примерно равным максимальному значению демодулированного напряжения, но несколько ниже, то переключающий сигнал приходится на моменты времени, соответствующие моменту прохождения нейтрали осью полюса. Иногда бывает необходимо, чтобы сигнал с выхода датчика положения ротора вырабатывался с некоторым опережениемотносительно момента прохождения нейтрали. В этих случаях уровень управляющего напряжения должен быть уменьшен относительно максимума демодулированного напряжения, Длительностьсигнала на выходе компаратора(фиг.2 е) больше, передний фронт этого сигнала смещается влево, в сторону опережения, и этим фронтом переключается триггер, Смещаются влево,в сторону опережения, и выходные сиг-налы датчика. Если необходимо выработать сигналы с отставанием от моментов прохождения нейтрали, то либоиспользуются триггеры, переключающиеся задним фронтом импульса, поданным на его вход, либо сигнал с выходакомпаратора (фиг.2 е) сначала инвертируют, а потом подают на вход триггера. При этом момент переключениятриггера соответствует заднему фронту сигнала 0 ц . Момент переключениятриггера и, следовательно, сдвиг выходных сигналов датчика может плавнорегулироваться в широких пределахпосредством изменения уровня опорного напряжения.Определитель начального положения ротора работает следующим образом.Начальное положение ротора определяется при включении возбуждения. Пусть в этот момент времени в зоне полюсного деления фазы А статора находится полюс положительной полярности (левая часть фиг.З)В момент времени й включения возбуждения ротор 10 неподвижен и занимает угловое положение у, (Офк М), фиг. 36) . При включенйи возбуждения и подаче постоянного напряжения на обмотку индуктора (фиг.За) в обмотке статора ин дуцируется импульс напряжения (фиг.Зв), который имеет крутой передний фронт и плавно спадающий задний фронт. Если угловое положение ротора . находится в пределах 0(ус Т, то на чальная часть импульса положительна (левая часть фиг.З), что используется для начальной установки датчика в исходное положение посредством элементов 9, 14, 16. Индуцированный в2 Б обмотке статора импульс подается на вход компаратора 14, где преобразу-. ется в прямоугольный импульс единичной амплитуды, который совпадает по. длительности с положительной частью ЗО индуцированного импульса (фиг.Зг). Для этого уровень опорного напряжения в компараторе устанавливается близким к нулю в сторону положительного значения. В момент включения возбуждения посредством дополнительного блок-контакта выключателя 4 включается одновибратор 9, на выходе которого при этом возникает один прямоугольный импульс напряжения единич ной амплитуды и фиксированной длительности (фиг.Зд), Длительность этого импульса устанавливается меньше длительности импульса на выходе компаратора (фиг.Зг). Если ось полюса 45 ротбра в момент включения возбуждения находится в области углов О Жф (стрелка оси полюса ротора в верхней полуплоскости, фиг.36, слева), то импульсы на выходе компаратора (фиг.Зг) 60 и на выходе одновибратора (фиг,Зд) совпадают и при подаче на вход элемента совпадения И 16 вызывают на еговыходе импульс (фиг.Зе, слева), который, в свою очередь, при подаче на установочный вход триггера 15 перебрасывает последний в состояние, при котором на его основном выходе уста.- навливается единица (фиг.Зи, слева). Далее импульсами с выхода управляемо" го компаратора 13 (фиг,Зж), подаваемыми на счетный вход триггера 15, триггер последовательно перебрасывается иэ установленного положения в другое и обратно (Фиг.Зи).Как следует из диаграммы в левой части фиг.З, сигнал (единица) на основном выходе триггера (фиг.Зи) соответствует угловому положению ротора Оф 7, т.е. положительным эначени" ям функции ахам, Если ось полюса ротора в момент включения. возбуждения находится в области углов дф2 К (стрелка оси полюса в нижней полуплоскости; фиг.36, справа), например, в момент включения Е ротор неподвижен и занимает угловое положение у то начальная часть индуцированного импульса отрицательна (фиг,Зв). Приэтом сигнал на выходе компаратора 14(фиг,Зг, справа) возникает от спадающей части импульса, которая переходит в область положительных значений. В этом случае сигнал с выходакомпаратора 01 не совпадает с сигналом с выхода одновибратора Бд (так как длительность сигнала Пз меньше начальной части индуцированного импульса). Следовательно не создаетсяимпульс на выходе элемента совпаденияи триггер остается в положении, установленном до включения датчика, когда единица установлена на инверсном выходе триггера, т,екогда на его основном выходе отсутствует сигнал (имеется нуль, фиг.Зи, еправа), Далее аналогичным образом импульсами с выхода компаратора 13 происходит переключение триггера, Как следует из диаграммы в правой части фиг.З, и в этом случае сигнал (единица) на основном выходе триггера (фиг.Зи) соответствует угловому положению ротора ОЯ Х, т.е. положительным значениям функции зпф.Трансформатор 17 предназначен длясогласования уровня напряжения импульса, наводимого при включении возбуждения, с входным напряжением схемы. Нормально закрытый. 18 и нормально открытый 19 контакты являются контактами дополнительного выключателя, который выполняет следующую функцию.В начальный момент при включении нап-ряжения возбуждения определитель положения ротора должен быть включЕн. Поэтому цепь определителя замкнута7 1458946 нормально замкнутым контактом 18.После включения возбуждения ротора и установки датчика в исходное начальное положение выключатель должен переключиться и отключить схему опре- ш делителя от обмотки статора. После к этого. на обмотку статора может быть м подано напряжение от источника пита- и ния. За счет этого исключается воз б можность попадания относительно высо- к кого рабочего напряжения статора на к низковольтную электронную схему опре- е делителя. Схема переключения должна р включаться в работу после онределе о ния начального положения ротора и щ установки датчика в исходное положе- р ние. Это выполняется переключением о контактов выключателя: нормально за- т крытый контакт 18 размыкается, а нор" 20 т мально открытый контакт 19 замыкает- т ся. Переключение может быть выполне- л но автоматически непосредственно пос- т ле включения возбуждения выключате- н лем 4. 25 с Реализация устройства дает возможность управлять синхронной машиной в режиме вентильного двигателя или асинхронизированной синхронной машины, в том числе с бесщеточными системами возбуждения, беэ использова- . ния специальных датчиков положения. ротора и без изменения конструкции машины для установки датчика положения ротора. Формула изобретенияДатчик положения ротора электрической машины с электромагнитным возбуждением, содержащий генератор новы" енной частоты, выход которого подлючен параллеЛьно каждой иэ фаз оботки якоря через соответствующий змерительный канал, включающий в сея полосовой фильтр и управляемый омпаратор, измеритель токавыход оторого соединен с входом управлямого компаратора, второй вход котоого соединен с выходом источника порного напряжения, о т л и ч а юи й с я тем, что, с целью расшиения функциональных возможностей, н снабжен одновибратором, выключаелем возбуждения с нормально открыым блок-контактом, каждый иэмериельный канал снабжен компаратором, огическим элементом И и выходным риггером, в каждом измерительном каале выход управляемого компаратора оединен со счетным входом триггера, установочный вход триггера соединен с выходом элемента И, один вход элемента И соединен с выходом компаратора, вход которого соединен с обмоткой якоря, другой вход элемента И соединен с выходом одновибратора, вход которого через нормально открытый блок-контакт выключателя возбуждения соединен с источником питания, а вход сброса каждого триггера соединен с выключателем сброса.1458946 Составитель А.Санталов1Техред Л,Сердюкова Корректор Н.Король ыбчен едакто Проектная, 4 ическое предприятие, г. Ужгор изводственно-пол з 376 ПИ Го Тираж 645 арственного комитета по изобретениям 113035, Москва, Ж, Раушская нодписноеи открытиям при ГКНТ СССР, д. 4/5