Вентильный электродвигатель

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК И 9) 42 А 29/О ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМ ДЕТЕЛЬСТ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) Авторское свидетельство СССРУ 1350773кл. Н 02 К 29/00, 1984.(57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения являетсярасширение диапазона регулированияи повышение КПД. С этой целью вентильный электродвигатель снабжен реле26-30 с замыкающими контактами, реле 31 с размыкающим контактом, автотрансформатором (АТ) 19. Реле 26-30включены соответственно между выводами первичной обмотки 21 АТ 19 и импульсными регуляторами напряжений(ИРН) 15, 16, выходами выпрямителей24, 25 и управляканми входами реле 26,27, между выходом генератора 12 пилообразного напряжеия и входам широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 32.Реле 31 соединяет выход генератора 12с входами ШИМ 13, 14, включенных меж1427508 ду фазочувствительным выпрямителем 11-и управляющими входами ИРН 15, 16 соответственно, Управление секциями1-4 обмотки вентильного электродвигателя осуществляется посредствомтранзисторов 5-8 коммутатора по сигналам датчика 9 положения роторачерез формирователь 10 эоны коммута;ции, Секции 1, 2 и 3, 4 шунтированыдиодами 17, 18. Средняя точка обмотки 2 1 АТ подключена к ИРН 34, входк-рого объединен с входами ИРН 15,.16 и подключен к плюсовому зажимуисточника питания. ИРН 15, 16 подклюИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано в вентильных электроприводах с широким диапазоном регулирования и в моментных электроприводах.Целью изобретения является расширение диапазона регулирования, повышение КПД.На Фиг. 1 изображена Функциональная схема вентильного электродвигателя (ВД); на фиг. 2 - диаграммы, по. ясняющие процессы Формирования токов и напряжений в якорной обмотке ВД; на фиг. 3 - диаграммы процессов в ВД при его работе с автотрансформатором; на Фиг, 4 - противоЗДС в ВД при включении автотрансформатора;на фиг. 5 - механическая характеристика ВД. Вентильный электродвигатель содержит ротор, двухфазную обмотку якоря, состоящую из четырех секций 1-4 по две сдвинутые на 180 эл,град секции в каждой фазе, последовательно с каждой секцией соединены транзисторные ключи 5-8, образуя две ячейки коммутации, причем начало одной секции 1(3) и конец другой 2(4) каждой фазы объединены, выходы транзисторных ключей 5-8 объединены и подключены к первому зажиму цепи питания, Управ.пяющие входы ключей 5-8 связаны с выходом аналогового датчика 9 положения ротора через формирователь 10 зочень к общим точкам секций соответственно 1, 2 и 3, 4. Диод 35 включенмежду отрицательным зажимом источника питания и средним выводом обмотки 21, Пороговый блок связан с выходами выпрямителя 11 и управляющимивходами реле 30, 31. В электродвигателе осуществляется автоматическоепереключение из режима ШИМ в режимработы с АТ 19. Переключение происходит в момент, когда дальнейшее регулирование в режиме ШИП невозможно,5 ил. ны коммутации транзисторных ключей,большей 180 эл,град, фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ) 11, генератор12 пилообразных импульсов. Каждыйканал усиления сигнала для соответствующеР ячейки снабжен широтно-импульсным модулятором (ШИМ) 13, 14,импульсным регулятором 15, 16 напряжения и диодом 17, 18. Причем в каж 10 дом канале усиления выходы анапогового датчика 9 положения ротора связаны через формирователь 10 зоны коммутации транзисторных ключей 5-8 суправляющими входами ключей 5-8 ячеек 15 коммутации и с входом ФЧВ 11. ВыходФЧВ 11 соединен с первая входамиШИМ 13, 14 Импульсный регулятор15(16) напряжения подключен последовательно между общей точкой секции 20 каждой фазы 1 и 2 (3 и 4) и вторымзажимом цепи питания, входы ШИМ 13,14 подключены к управляющим входамимпульсных регуляторов 15, 16 напряжения, каждая ячейка коммутации шунтирована диодом 17, 18 в обратномнаправлении, а выход генератора 12пилообразных импульсов подключен квторому входу каждого ШИМ 13, 14,Дополнительно электродвигатель содер жит автотрансформатор 19 с первичнойобмоткой 20, 21 и со средней точкойи двумя выходными обмотками 22, 23;два выпрямителя с фильтрами 24, 25,первое 26 и второе 27, третье 28, 35 четвертое 29 и пятое 30 реле с замы 14275085 10 15 20 кающими контактами, реле 31 с размыканзцими контактами; третий ШИМ 32, пороговый блок 33 и третий импульсный регулятор 34, и третий диод 35,Начало первичной обмотки 20 авто- трансформатора падсоединена через 1нормально разомкнутые контакты первого реле 26 к средней точке первой фазы якорной обмотки с секциями 1, 2, а конец первичной обмотки 21 подсоединен через нормально разомкнутые контакты второго реле 27 к средней точке второй фазы якорной обмотки с секциями 3, 4. Управляющий вход первого реле 26 через замыкающие контакты третьего реле 28 подключен. к выходу первого выпрямителя с фильтром 24, а его вход подсоединен к первой выходной обмотке 22, Управляющий вход второго реле 27 через замыкающие контакты четвертого реле 29 подключен к второму выходу выпрямителя с Фильтрам 25, а его вход подсоединен к второй выходной оСмотке 23 автотрансформатора 19. Средняя точка последнего через третий .импульсный регулятор 34 подсоединена к "плюсовой" шине источника питания.Управляющий вход импульсного регулятора 34 подсоединен к выходу третьего ШИМ 32, а его вход подсоединен через замыкающие контакты пятого реле 30 к выходу генератора 12 пилообразных4напряжений. Выход генератора 12 пилообразных напряжений подключен также к первому 13 и второму 14 ШИМ через реле 31 с размыкающими контактами. Выходы ФЧВ 11 подключены к входу порогового устройства 33, а его выход подключен к управляющим входам третьего 28, четвертого 29 и пятого 30 реле с замыкающими контактами и входу реле 3 1 с размыкающими контактами, третий диод 35 подключен ано.дом к минусовой шине источника питания, а катодом - к средней точке автотрансформатора 19.Вентильный электродвигатель работает следующим образом.При подаче напряжения питания на схему сигналы с датчика 9 положения ротора (ЛПР) через формирователь 10 эоны коммутации поступают на управляющие входы транзисторных ключей 5, 6 и 7, 8, которые находятся каждый в открытом состоянии в течение угла поворота датчика 9 положения ротора, большего 180 элград со 25 30 35 40 45 50 55 сдвигом, задаваемым датчиком 9 положения ротора. Одновременно сигналыс датчика 9 положения ротора черезФЧВ 11 поступают на ШИМ 13 и 14, гдепроисходит сравнение огибающей выходного сигнала датчика 9 положенияротора и пилообразного напряжения,поступающего с выхода генератора 12пилообразных импульсов через нормально замкнутые контакты реле 31. В результате на выходе ШИМ 13, 14 имеемпоследовательность импульсов, длительность которых определяется частотой импульсов генератора 12 пилообразных напряжений и величиной выходногосигнала датчика 9 положения ротора,Эти импульсы поступают на управляющиевходы импульсных регуляторов 15, 16напряжения, которые изменяют напряжение на секциях 1-4 обмотки электродвигателя по закону, задаваемому Формой огибающей выходного сигнала датчика 9 положения ротора. Ксммутадятранзисторных ключей 5, 6,и 7, 8праисхоцит,. с частотой равной частотевращения магнитно-движущей силы(м.д.с.), создаваемой якорной обмоткой, а коммутация импульсньк регуляторов 15, 16 напряжения обеспечиваетформирование на средней тачке каж,;сйиз двух Фаз якорной обмотки напряжения по закону синуса и косинуса (широтно-импульсное напряжение на средней точке каждой иэ двух фаз имеетвид выпрямленной синусоиды или косинусоиды). Наличие диодов 17 и 18 ирасширенная зона коммутации транзисторных ключей 5-8 (в пределах 190195 эл,град) позволяют получить вякорных секциях ВД непрерывный токи исключить перенапряжения, связанные с индуктивным характером нагрузки. Сигнал с датчика 9 положения,промодулираванный частотой вращениявала, изображен на Фиг. 2 а. Форммрователь 10 зоны коммутации , состоящий из фазачувствительных выпрями -телей и триггеров Шмидта, позволяетполучить на выходе сигналы для управления транзисторными ключами 5-8с зоной коммутации 185-195 эл.град,Кроме того, наличие Фазочувствительных выпрямителей в Формирователе 10позволяет. осуществлять при неабходимости реверс электродвигателя. На фиг, 2 в, б изображены диаграммы напряжений на выходе формирователя для одной фазы (транзисторные ключи(Фиг, 2 а) поступает на вход ФЧВ 11(на фиг. 2 изображены сигналы для одной Фаы). С выхода ФЧВ 11 сигнал(фиг.2 г) поступает на ИИИ 13, 14,5где преобразуется по закону синуса(фиг. 2 д, е) и косинуса (не показан)с оцновременным выпрямлением однойиз полуволн сигнала (в данном случаеотрицательной Фиг. 2 д, е), Потребляемьй ток от источника одной фазы ,рпредставлен на. Фиг, 2 е, Транзисторы5, 8 осуществляют поочередную коммутацию секций якорной обмотки при переходе напряжейия ДПР 9 через нуль,и по обмоткам в фазе протекает непрерывный ток (Фиг. 2 е) 1,1, х,гце 3. - ток в секции 1, х - токв секции 2, Несмотря на то, что прикоммутации с расширенной зоной возникает угол 4 когда в каждои азеодновременно открыты транзисторныеключи 5, 6 и 7, 8, динамического тормозного момента не создается, так 25как диоды 17, 18 могут быть открытытолько напряжением порядка 1 В. Изменяя величину выходного напряженияГДР 9, можно в широких пределах регу"ьлировать электромагнитньй момент ., ЗОэлектродвигателя. Когда амплитудасигнала с ДПР 9 будет равна амплитуде напряжения Бпщ с генератора 12пичообраэньг, импульсов (фиг. 2 д)это будет соответствовать номинально 35му реялму и максимальному значениюКПД ВД. Дальнейшее увеличение частоты вращения вала электродвигателя засчет перекрытия ИИ нецелесообразно,так как приведет к снижению КПД засчет резкого ухудшения гармоническогосостава тока из-за несоответствияФормы ЭДС (синусоидальная) и напряжеьпя на секции(трапецеидапьное илиеще хуже прямоугольное). Поэтому придостижении амплитуды напряжения сФЧВ 1 заданной величины соответствующий максимальному значению и равной Поп, срабатывает пороговьи блок 33.Сигнал высокого уровня с выхода лоро" 5 Огового блока 33 поступает на управ"ляющис входы реле 31,с размыкающимиконтактаы, репе 28, 29, 30 с замыка"ющими контактами. При этом реле 31откл;очит генератор 12 пилообразныхнапряжений и импульсные регуляторы15, 16 напряжения отключат секщиякорной обмотки от плюсовой шины источника питания. Одновременно реле 28, 29 подключат к управляющим входам реле 26, 27 выпрямителя с Фильтром 24, 25, реле 26, 27 замкнут свои контакты и подсоединят, например, начало первичной обмотки 20 автотрансформатора 19 к средней точке первой фазы с секциями 1, 2 якорной обмотки ВД, а конец первичной обмотки 21 - соответственно к средней точке .второй фазы с секциями 3, 4. Одновременно через реле 30 сигнал с генератора 12 пилообразных импульсов поступает на вход третьего ШИМ 32, с выхода которого сигнал поступает науправляющий вход .третьего импульсного регулятора 34, Изменением амплитуды напряжения управления Ущ регулируют длительность импульсов напряжения на средней точке автотрансформатора 19 . Длительность импульсов на вхоце третьего импульсного регулятора 34 напряжения выбирают так, чтобы частота вращения вала при пеореключении на работу с автотрансформатором не изменялась. Рассмотрим процессы, протекающие в двигателе при его работе с авто- трансформатором. На Фиг. За и б представлено напряжение противоЭДС на средних точках Фаз ВД 1 и 1, сдвинутых между собой в пространстве на 90 эл.град. относительно минусовой пины источника питания. На Фиг.4 показана иплюстрация возникновения противоЭДС 1 и 1 на средних точках Фаз вентильного двигателя, При включении между средними точками фаз якорной обмотки автотрансформатора 19 с секциями 20, 21 и в соответствии с порядком их намотки и подключением на начале и конце первичной обмотки 20, 21 появляется напряжение двойной частоты по отношению к частоте ЭДС и амплитудой, равной амплитуде ЭДС и формой, приближенной к треугольной (фигЗг).Так как автотрансформатор 19 имеет среднюю точку, которая через третий импульсный модулятор 34 подключена к плюсовой шине источника питания, то напряжение треугольной формы и двойной частоты, но с амплитудой, равной половине ЭДС вращения, оказывается приложенным в Фазе и противофазе к якорным секциям вентильного двигателя, При этом суммарное напряжение на коммутиру-, еьих секциях, т.е. напряжение тре 1427508(фиг, Зг, д), а на закрытом транзисторе в каждой фазе напряжение равно,например, на холостом ходу Ухк = оп + 1+ 1 + - 1 ж 2 512 50 д (фиг.3 е) . Благодаря включению автотрансформатора19 и коммутации якорных секций с уг 1 Олом открытого состояния 185-195 эл.град.,амплитуда напряжения на коммутируемых секциях возрастает на холостомходу в 1,5 раза, а далее с увеличением нагрузки на валу уменьшается про 15порционально ЭДС,На Фиг. 5 представлены две механические характеристики при максимальном напряжении управления: К - присинусоидальной модуляции и М - приработе с автотрансформатором.Регулируя начальную ширину импульсов на выходе ШИМ регулятора 34, можно в широких пределах регулироватьтбчку перехода с характеристики К намеханическую характеристику М,Диод 35 подцерживает в якорныхсекциях непрерывный ток при работеШИМ регулятора 34.30Таким образом, расширение диапазона частот вращения вала и повышениеКПД осуществляется за счет автоматического переключения электродвигателя из режима его работы по синусоидальной ШИМ в режим работы с автотрансформатором. Переключение происходит в тот момент, когда дальнейшеерегулирование в режиме синусоидальной ШИМ невозможно (насыщение по управлению). При этом на естественноймеханической характеристике электродвигатель при работе с автстрансформатором имеет максимальный КПД, таккак отсутствуют динамические потери 45на несущей частоте ШИМ, а форма напряжения на фазных обмотках близкак синусоидальной. Формула изобретения 50 Вентильный электродвигатель по авт. св. Р 1350773, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью расширения диапазона регулирования повышения КПД, в него дополнительновведены автотрансформатор, снабженный первичной обмоткой со среднейточкой и двумя выходными обмотками,два выпрямителя с Фильтром, пять реле с замыкающими контактаьи, шестоереле с размыкающим контактом, третийширотно-импульсный модулятор, пороговый блок, третий импульсный регулятор и третий диод, причем началопервичной обмотки автотрансформаторасоединено через замыкающий контактпервого реле со средней точкой фазыякорной обмотки, а конец первичнойобмотки автотрансформатора через размыкающий контакт второго реле -с средней точкой второй Фазы якорнойобмотки, управляющий вход первогореле через размыкающий контакт третьего реле подключен к выходу первоговыпрямителя с фильтром, вход которогс подключен к первой вькодной обмотке, управляющий вход второго реле через замыкающий контакт четвертого реле подключен к выходу второговыпряюттеля с фильтром, входом подключенного к второй выходной обмоткеавтотрансформатора, средняя точкапервичной обмотки автотрансформатсрачерез третий импульсно регуляторсоединена с плюсовой шиной источникапитания, управляющий вход третьегоимпульсного регулятора подключен квыходу третьего широтно-иитульсногомодулятора; вход которого через замыкащций контакт пятого реле подключен к выходу генератора пилообразныхнапряжений, выход которого подключенк входам первого и второго широтноимпульсных модуляторов через размыкающий контакт шестого реле, выходыФазочувствительного вьптрямителя подключены к входам порогового блока,выход которого соединен с управляющими входами третьего, четвертого, пятого и шестого реле, третий диодподключен анодом к минусовой шинеисточника питания, а катодом - к средней точке первичной обмотки автотрансформатора, 142750.81427508 е Составитель А, ИвановМ, Келемеш Техред Л. Олийнык Корректор В, РоманенкФ аказ 4861/52 . о 4/ Ужгород, ул. Проектная, 4 роизводственно-полиграфическо риятие Тираж 666 ИИПИ Государственного по делам Изобретений 5, Москва, Ж, РаушсПодпи омитета ССС открытий ая наб., д.