Способ управления вентильным электродвигателем

/О 02 51)5 Н 02 Р НИЯ ВИДЕТЕЛ ЬСТВУ ДВТОРСКО еев ско Л ехни- оскоЦель авлеИзокеи мо автомат низкоск ментным ми. ретениежет быть ческого ростных и вентил содерым чисГОСУДАР СТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ(56) Авторское свидетельство СССРВ 700930, кл. Н 02 К 29/06, 1979,Овчинников И.Е.; Лебедев Н.И. Бтактные двигатели постоянного токаНаука, 1979, с, 113-117.Авторское свидетельство СССРМ 1495943, кл. Н 02 К 29/00, 1988.(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТН Ы М ЭЛ Е КТРОД В И ГАТ ЕЛ Е М(57) Изобретение относится к электроке и может быть использовано в низростных следящих системах,изобретения - упрощение способа уп относится к электротехнииспользовано в системах управления, в частности в следящих системах с моьными электродвигателяЦель изобретения - упрощение способа управления.На фиг, 1 представлена блок-схема вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - диаграмма, поясняющая формирование электромагнитного момента; на фиг. 3 - форма токов, формируемых в фазах якорной обмотки синхронной машины.Вентильный электродвигатель жит синхронную машину 1 с нечетн ния. С этои целью в способе управления вентильным электродвигателем в каждой фазе на первом угловом интервале соответствующего периода частоты вращения ток формируют по закону 1 =Л=Астц - тц( а/ 2 - л /2 гп), на следую П 1щим интервалах и = (гп - 1)/2 ток в каждой фазе формируют по закону 1= А, а на остальных гп - (и + 1) интервалах - по закону =А, где гп - число фаз обмотки якоря синхронной машины; а - угол поворота ротора синхронной машины; А - амплитуда тока определяемая из выражения А =.Ь ОУ, где К 1 - коэффициент усиления соответствующего усилителя тока в фазах обмотки якоря, 0 У - наг 1 ряжение управления, В этом случае число интервалов для формирования тока для обеспечения требуемого вращающего момента уменьшается, оно равно числу фаз обмотки якоря. 3 ил. лом гальванически не связанных фаз якорной обмотки и датчиком 2 положения ротора на валу синхронной машины, выполненным в виде вращающегося трансформатора 3 с симметричной т рехфазной выходной обмоткой, подключенной к трем входам коммутатора 4. Нулевой вывод выходной обмотки датчика 2 положения ротора соединен с одним выходным выводом модулятора 5, второй вывод которого соединен с первым выводом выходной обмотки возбуждения датчика положения ротора, второй вывод которой подключен к четвертому входу коммутатора 4,Косинусная обмотка возбуждения подключена к входам фазочувствительного вы 1690160+3 - а) (2) носительному двигателя, есого момент, результируюаэной обмот 4) ить прав иэл 1 енения тока фазы авных по модулю токахЛрнс 1 ле (О,). Для того,т запи- интерфазах а и с на ин прямителя б, выход которого, являющийсявыходом датчика 2 положения ротора, соединен с первым входом порогового элемента 7 и с первыми входами блоков 8-10коммутации, вторые входы которых обьединены с входом инвертирующего элемента11 и служат для подачи задающего напряжения (сигнал управления) Оу.Выход инвертирующего элемента подключен к третьим входам блоков 8-10 коммутации, а выход порогового элемента 7соединен с управляющими входами коммутации 4 датчика 2 положения ротора и управляющими входами блоков 8-10коммутации, выходы которых соединены с 15входами усилителей 12-14 в цепи фаз якорной обмотки синхронной машины 1.Рассмотрим принцип формированияэлектромагнитного момента, не зависящегоот угла поворота ротора, на примере 20трехфазного двигателя с обмотками а, Ьи с (фиг. 2).Пусть в фазах а и с протекают равныеразнополярные токи величиной А, а токв фазе Ь изменяется ат -А до А, Распределение намагничивающих сил (н,с.) соответствует векторам ОА,-.ОС и ОВ, Будемсчитать, что абсолютные значения векторовн,с. выражены в относительных единицах,поэтому 1 ОА = 10 С 1 = 1, а 1 ОВ может 30изменяться от 0 до 1. Вектор 0 В представляет собой геометрическую сумму векторовОА и ОС, а результирующий вектор ОВ -геометрическую сумму векторов ОВ и ОВ.Предположим, что датчик положения 35установлен на валу двигателя таким образом, что, если принять за начало отсчета дляугла а поворота ротора ось фазы С, то уголмежду продольной осью ротора и результирующим вектором н.с. статора равен 403 = - , - +3 - а,27 г(1) де /3 - угфазы а,Тогда величинаф-(3 ол между вектором ОВ и ось однозначно соответствует отэлектромагнитному моментули принять в качестве базовразвиваемый двигателем прищем векторе н.с., равном н,с. фЛки, и угле 3= 2Определим заколЬ при постоянных и р тобы электромагнитнын л 1 ол 1 ент двигателя не зависел от угла а, необходимо выполнение условия(5) где р - угол между векторами ОВ и ОВдЦтоМ =10 В/ соз ( -- агссоз -- ) = ОВ 1,л 10 В 1 лб 1 ОВ 1(7)откуда1 ОВ-10 Взп(ф -- ), (8)Из прямоугольного треугольника ОВВ,учитывая, что ВВ = 1 ОВ 1, находим 1 О В 1 = / бв+ 1 оПодставив (8) в (9), получим тогда1 о В 1 ОВсоз (Р -- )ЛбПодставив (12) в (8), получим ОВ 1= - ОВ 19(Р б) = - 10 В 1 т 9 Лоскольку 1 ОВ 1= 2 соз ( = 1 ОВ = - /3 192)Аналогичным образом можно ил 2 лвыражение для интервала (З, - Гвектор ОВ имеет противоположноеление1 ОВ 1=Л ч( -)Выражения (14) и (15) позволяюсать закон изменения тока фазы Ь на2 лвале (О, - )3(24) где) =1,2,3 в. 1 ь.= 1/3 Агд (р - - ). (16) Тогда выражения для фэзных токов 12 л1 ь, 1 с (Фиг. 3) на интервале (О, -- ) имеют вид 1 а = А, 1 ь= Юд( -6 ),а л 1 с= А При этом электромагнитный момент двигателя постоянен и в относительных единицах равен согласно (б) М =ОВ= /7 = 1,732. (18)2 лВ точке а = -, 1 а = 1 ь = А, 1 с = - А, а результирующий вектор совпадает по направлению с вектором бС. В этот момент полярность тока фазы э изменяется на про тивоположную. При этом вектор ОВ скачком перемещается в положение, совпадающее с положением вектора фазы Ь. При этом момент двигателя не изменяется, поскольку М = ) Ойз 1 п = ОЯ в 1 п= Л . (19)2 л 4 лНа следующем интервале ( 3, 3 ) повторяется ситуация, аналогичная рассмотренной, при этом разнополярные токи в фазах а и Ь постоянны и равны по модулю амплитудному значению, а ток в фазе с изменяется по закону 1,= Ю Дсд(-" ) Выражения для токов на интервале 2 л 4 л ( - -, ) имеют вид 33 1 а = - А, 1 ь=А, (21) 1 с= Л Атд( р р ).а л Аналогичным образом можно записать4 л для интервала( 3, 2 л ) 1.= Л дед( - )а 5 л 1 ь=-А, (22)1 с = А.На последующих периодах частоты вращения рассмотренные выше законы изменения токов повторяются, при этом фазные токи имеют вид, изображенный на фиг, 3.Угол Р на каждом периоде частоты вращения изменяется по закону 2 л а л - 1 , (23) Э .+ где) = 1, 2, 3 - номер углового интервала на периоде частоты вращения. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Выражение (23) опредсляет установкудатчика положения нэ валу двигателя. Приэтом для известных значений а и ) датчикположения необходимо установить такимобразом, чтобы угол между продольнойосью ротора и результирующим векторомн,с, стэтора был равен величине 3, рассчитанной после подстановки аи) по формуле (23).При таком способе управления обеспечивается поддержание постоянной величины электромагнитного момента независимоот положения ротора двигателя, при этомвеличина этого момента для трехфазногодвигателя составляет 1,732 относительновеличины момента двигателя при значениирезультирующего вектора н.с., равного величине н.с. Фазной обмотки, и при углел. По сравнению с традиционной синусоидальной формой токов, где это значение составляет 1,5, величинаэлектромагнитного момента для заданнойамплитуды фазных токов увеличилась на15,4Аналогично изложенному можно определить законы формирования тока для любого нечетного числа фаз гл, при а1,В общем случае, для создэния электромагнитного момента в двигателе, величинакоторого не зависит от углового положенияротора, необходимо создать т-фазную систему токов, сдвинутых по фазе друг относи 2 лтельно друга на угол , задатьдлительность угловых интервалов2 лдля каждого периода частоты вращения в каждой фазе на первом угловоминтервале, сдвинутом в каждой последующей фазе по отношению к предыдущей на2 лугол, формировать ток по законуП 3л а л1=дскб 2, тд( р - у ),по окончании первого углового интервалащ - 1на следующих и = угловых интерва 2лах формировать ток по закону 1 = А, поокончании (п + 1)-го углового интервала напоследующих т - (и+ 1) угловых интервалахформировать ток по закону 1= -А. При этомдатчик положения на валу двигателя необходимо установить таким образом, чтобыугол между продольной осью ротора и результирующим вектором намагничивающейсилы статора был равен л в+1 а ло - Я гп 2 гп2 лНапример, для в = 5, ф = , на первом угловом интервале каждого периода частоты вращения закон изменения фазного тока имеет вид 5= Ассоц д тц( а щ) = 3,078 А 19( р - -ц ), на втором и третьем угловых интервалах = А, а на четвертом и пятом угловых интервалах = -А. Датчик положения необходимо 10 установить на валу двигателя таким образом, чтобы выполнялось соотношениеР = - в- - р + -- 1, (25) где 1 = 1, 2, 3, 4, 5. 15На фиг. 3 изображены токи в обмотках пятифазного двигателя при данном способе управления.Величина электромагнитного момента двигателя для т = 5 составляет 3,078 отно сительно величины момента при значении результирующего вектора н.с., равного величине н.с. Фазной обмотки, По сравнению с традиционной системой синусоидальных токов, при которой это значение для 25Л3 =составляет 2,5, величина электромагнитного момента увеличивается на 23,1 ь.Способ реализуется следующим обра зом.Предположим, что датчик положения установлен на валу двигателя таким образом, что в точке а = 0 угол между осью первой фазы статора датчика положения и 35 осью первой роторной обмотки датчика поЛложения составляет. При этом первый вход коммутатора 4 подключен к второму входу, а третий вход - к четвертому входу. В этом случае первый вывод первой роторной обмотки подключен посредством коммутатора 4 к выводу первой фазы статорной обмотки, а вывод второй фазы статорной обмотки через сопротивление подключен к выводу третьей, фазы статорной обмотки,Такое соединение обмоток датчика положения соответствует режиму работы линейного вращающегося трансформатора, при котором напряжение возбуждения с вы хода модулятора подается на соединенные последовательно первую обмотку ротора и обмотку первой фазы статора, а замкнутые через сопротивление обмотки второй и третьей фаз статора выполняют функцию компенсационной обмотки, При этом сопротивление, на которое замыкаются вторая и третья Фазные обмотки, а также сопротивление, включенное в модуляторе последовательно с первой роторной обмоткой,выбираются такими, чтобы суммарный магнитный поток второй и третьей фазных обмоток, направленный перпендикулярно магнитному потоку первой фазной обмотки, и поперечный магнитный поток второй роторной обмотки были взаимно скомпенсированы,При выборе коэффициента трансформации равным единице выходной сигнал второй роторной обмотки, преобразованный в фазочувствительном выпрямителе, на угло 2 лвом интервале(0, - ) будет изменяться по3законуз 1 п (а- - )Ов = кОу кОуцР ( ) (2 о)1+соз (а- - )3где Е = Ьпкв. кв, кв - статические коэффициенты передачи модулятора и фазочувствительного выпрямителя.Согласно способу управления для щ = 3 коэффициентследует выбрать= стц Л Л у, - = сщ= уд, В этом случае в точке 2%2а = выходной сигнал Фазочувствительного выпрямителя будет равен сигналу управленля О и как только Ов превысит Оу, сработает пороговый элемент 7, сигналом которого в коммутаторе 4 произойдет подключение первого вывода первой роторной обмотки к выводу второй фазы статора, а первая и третья фазы статора замыкаются через сопротивление, т.е. первый вход будет подключен к третьему, а второй - к четвертому. При этом напряжение модулятора подается на последовательно соединенные первую обмотку ротора и обмотку второй фазы статора, а замкнутые через сопротивление первая и третья фазы статора выполняют функцию компенсационной обмотки, Тогда на следующем угловом2 л 4.7 гинтервале ( 3 , 3 ) выходной сигнал фазочувствительного выпрямителя будет изменяться по законуО =- Л Оу =ЗО,тц -- - )зп а-,7 т) вл(27)и, как только Ов превысит значение Оу, на выходе порогового элемента 7 появится сигнал, который поступит на управляющий вход коммутатора 4, и в коммутаторе 4 произойдет подключение первого входа к четвертому, а второго к третьему, При этом первая и вторая фазы статора замкнуты через сопротивление, а соединенные последовательно третья фаза статора и первая обмотка ротора подключены к выходу моду 1690160 1 Олятора. Сигнал на выходе фазочувствительного выпрямителя на последнем угловом4 интервале первого периода ( 3 . 2 л ) изменяется по заону 53 )5 ла 5, Ов=Л ОУ 5 -7 ОУ 19(Р -1+сов (а -- )310(28)На последующих периодах частоты вращения переключение обмоток датчика положения происходит аналогична, При этом на каждом периоде частоты вращения форми руется зависимостьО, = уЭ Оут 9((29)где ) = 1, 2, 3 - номер углового интервала 20 периода частоты вращения.Этот сигнал поступает на первые входы блоков 8 - 10 коммутации на вторые входы которых подается сигнал управления Оу, а на третьи входы с выхода инвертирующего 25 устройства поступает сигнал -Оу,При врашении ротора двигателя по окончании каждого углового интервала дли 2 лтельностью 3 на управляющие входы 30 блоков 8-10 коммутации поступают сигналы с выхода порогового элемента 7, контролирующего длительность угловых интервалов. При этом в каждом из блоков 8 - 10 коммутации происходит поочередное подключение 35 входной шины связанного с ним усилителя тока к каждой из трех входных шин блока коммутации, Причем в любой момент времени входные шины усилителей 12 - 14 тока подключены к различным входам блоков 9 - 40 10 коммутации, Например, если на первом угловом интервале вход усилителя 12 подключен к второму входу блока 8, то вход усилителя 13 подключен к первому входу блока 9, а вход усилителя 14 - к третьему 45 входу блока 10, В результате на входе усилителя 12 имеется постоянный сигнал, равный Оу, сигнал на входе усилителя 13 изменяется по закону(2 б), а сигнал на входе усилителя 14 равен -Оу. 50По окончании первого интервала, после прихода сигнала с выхода порогового элемента 7, на втором угловом интервале усилитель 12 будет подключен к третьему входу блока 8 коммутации, усилитель 13 - к второ му входу блока 9 коммутации, а усилитель 14 - к первому входу блока 10. В этом случае на входе усилителя 12 имеется сигнал, равный - Оу, на входе усилителя 13 сигнал Оу, а сигнал на входе усилителя 14 изменяется позакону (27),В дальнейшем коммутация происходитаналогично.Таким аоразам формируются входные(задающие) сигналы усилителей тока, законизменения которых на каждом угловом интервале соответствует требуемому законуизменения фазного тока (фиг. 2), В соответствии с этими сигналами на каждом угловом2 7 гинтервале 3, длительность которого контролируется пороговым элементом 7, усилители 12 - 14 тока формируют в фазахдвигателя ток па закону, определяемомупредложенным способом управления. Тоесть, в каждой фазе на первом угловом интервале каждого периода частоты вращенияпутем подключения связанного с ней усилителя така к выходу фазочувствительного выпрямителя формируется ток по закону (дляв =3)= Аст 9 тр -- 9(ту - у - ) =А йщ( уу - .Б),где А = Ь Оу, 0 - статический коэффициентпередачи усилителя тока.По окончании первого углового интервала на последующих и угловых интервалах,гп - 1где и =- = 1, путем подключения вход 2ной шины усилитсля тока к шине, на которую подается сигнал управления Оу, токформируется па закону=- А, па окончаниивторого углавога интервала (и + 1)-га на паследуюших и = гп - (и1) угловых интеовалах (и -- 1 путем подключения входнойшины усилителя тока к шине, на которуюподается сигнал - Оу, ток формируется позакону = - А. За счет того, что на каждомугловом интервале усилители 12-14 токаподключены к различным источникам сигналов (различным входам блоков коммутации),обеспечивается фазовый сдвиг токов в фаз 2 лных обмоткахПри этом датчик положения на валу двигателя должен быть установлен таким образом, чтобы на каждом периоде частотывращения выполнялось соотношение (23),соответствующее соотношению (24) пригп = 3, Для этого датчик положения на валудвигателя устанавливают произвольно, длякакой-либо точки внутри периода частотывращения, например а = 0 (фиг. 2), определяют направление результирующего вектора н.с. путем геометрического сложениявекторов фазных н,с., для а =0 результирующий вектор н,с. направлен вдоль осифазы а (фиг, 1). По формуле(23) определяюттребуемый угол 3 между результирующимвекгором нл. и продольной осью ротора, в2 лслучае а = О, ) = 1, Д =При неизменном положении датчика положения поворачивают ротор двигателя таким образом, чтобы угол между результирующим вектором н.с, и продольной осью ротора был равенДля а =О,) =1,Р =,те, в2 лзависимости от направления вращения, продольная ось ротора должна совпадать либо с осью фазы с, либо с осью фазы Ь (фиг, 1), Установку требуемого угла, В можно аналогичным образом провести также вращением либо ротора, либо статора датчика положения относительно ротора (вала) двигателя,Величина момента, развиваемого двигателем, регулируется значением управляющего сигнала Оу, который задает амплитуду фазных токов А и, соответственно, величину результирующего вектора н,с.За счет упрощения некоторых операций, сокращения их числа, а также использования одного источника нелинейного тригонометрического сигнала (датчик положения) устройство для реализации способа управления является более простым и содержит меньшее число функциональных блоков. Формула изобретенияСпособ управления вентильным электродвигателем, выполненным в виде синхронной машины с нечетным числом гальванически не связанных между собой фаз якорной обмотки и датчиком положенияротора на валу, при котором в каждом периоде частоты вращения на равных угловыхинтервалэхдлительностью ф = 2 л/гп ток в5 каждой фазе формируют по заданному закону с фазовым сдвигом 2 л/в в каждойпоследующей фазе относительно предыдущей, контролируя при этом длительностькаждого углового интервала, о т л и ч а ю щ 10 и й с я тем, что, с целью упрощения, вкаждой фазе на первом угловом интервале,сдвинутом в каждой последующей фазе нэугол 2 л/в относительно предыдущей фазы, формирование тока осуществляют по за 15 кону= Асс 9 у - 19( а/2 - л/2 пз),по окончании первого углового интервалап 1 - 1на следующих и = 2 угловых интервалах формирование тока осуществляют позакону = А. по окончании (и+ 1)-го интервала на последующих т - (и + 1) интервалахформирование тока осуществляют по зако 25 ну= - А,где гп - число фаз якорной обмотки синхронной машины;А - заданное значение амплитуды тока,А=11 Оу,30 а - угол поворота ротора синхронноймашины;Ь - статический коэффициент передачиусилителя тока в цепи якорной обмотки синхронной машины;35 Оу - задающее напряжение (сигнал управления), подаваемое в обмотки якоря синхронной машины.1 б 90160 Составитель А, Головченкоактор Н. Химчук Техред М.Моргентал Корректор С. Шевк зводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3825 Тираж ВНИИПИ Государственного комите 113035, МоскваПодписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 35, Раушская наб 4/5