Вентильный электродвигатель

. Социалистических Республик ОП ИСАНИЕ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 29.04,81 (21) 3284364/24 - 0 с присоединением заявки Ля 1) М. Кл. Н 02 К 29 оудорстюный комитет СССРПриорите яо аелем нзобретени и открытий публиков 30.10.82. Бюллетеньата опубликования описания 30.10,8.,Серк Ф. Шепелин 1есоюзный ордена Трудового Красного Знамени научно -следовательский проектно - конструкторский и технологИЧескнй"институт релестроения 1) Заявитель(54) ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ ены с соответствующимитройства 1. такого ВД заключается в лавного в широких преде ла опережения включениядля обеспечения высоких одами руппы соеди командного уНедостаток напряжени жение и и входы генераторапреобразователявые входы логичеобъединенных вых пилообразнычастоты в нап ах ре озможностигулированияых вентилей ило каждыи канал упр20 разователь опорно подключен к вых нергелеи ВД и коммутации токатора в случае применения ВДертором, что отрицательноческие характеристики двигате ческих показат тиристоров инвер с зависимым инв я, выход оды логически трех выходов влияет на диналя,Изобретение относится к электротехнике,в частности к электродвигателям для регулируемого электропривода и может найти применение в электроприводах металлорежущих станков и других механизмов,Известен вентильный электродвигатель (ВД)содержащий датчик положения ротора, каждыйчувствительный элемент которого соединен чергруппы многовходовых логических схем Ис входами, по крайней мере, двух усилителеймощности, осуществляющих подключение секи обмотки якоря к источнику постоянног ка, причем вторые входы схем И каждой Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности вентильный Двигатель, содержащий синхронную машину, секции якорнойобмотки которой подключены через инвертор 5к источнику регулируемого напряжения, имеющему широкий (О - 180 эл.град) предел регулирования угла опережения открывания тиристоров инвертора, индуктор, якорь, секцииобмотки которого через ключи инвертораподключены к регулируемому выпрямителю,датчик положения ротора, состоящий из высокочастотного генератора, выходных обмоток иусилителей, причем к выходным каналам усилителей датчика положения ротора подключены ских схем совпадения, одными зажимами по три на авления, нуль в орг, преобго напряжения, вход которого ду задатчнка углов управлеоргана подключен на вторые схем совпадения, а каждый преобразователя опорного970578напряжения подключен к одному иэ третьих входов логических схем совпадения одного канала управления, объединенные выходы логических схем совпадения каждого канала уйравления,подключены на входы статических триггеров, включенных по кольцевой пересчет. ной схеме, и импульсные устройства управления инвертором, входы которых подадочены к выходам статических триггеров, а выходы - на входы ключей инвертора. 11 ри вращении ротора 10 ВД на выходе усилителей датчика положенияротора появляются сигналы (логическая единица) длительностью 60 эл град, частота следования которых в устройстве преобразуется в напряжение и подается на вход генератора нилообразных напряжений, При этом наклон пи. лы пропорционален выходному напряжению устройства, частоте следования сигналов с датчика положения ротора, а значит,и скорости двигателя и амплитуда пилы не зависит от скорости, Сигнал на переключение ключей инвертора поступает через импульсные устройства управления с выхода статических триггеров, которые, в свою очередь, управляются сигналом с объединенных выходов. логических схем совпадения, появляющимся при наличии на всех трех, вхо. дах одной из них логических единиц, При этом .генератор пилообразных напряжений регулирует фазу сигнала управления в пределах 0 - 60 эл.град, а преобразователь опорного напряжения - на величину, кратную 60 эл,град. Сигналы с выхода датчика положения ротора. определяют зону прохождения данных сигналов на вход статического триггера и секцию син-, хронной машины, по которой должен быть пропущен ток нри данном положении рото ра 21 Недостатком известного ВД является от. сутствие информации на входах статических триггеров в первый момент после подачи напряжения питания на силовые цепи и цепи управления (на всех трех выходах командного устройства присутствуют логические нули, на .выходе всех логических схем совпадения - также нули) . Поэтому статические, триггеры могут находиться в произвольном состоянии и подать управляющий сигнал на ключи инвертора, не соответствующие положению датчика положения ротора ВД, При этом пусковой момент, несмотря на наличие большого тока, 5 ф может быть близок к нулю,. Мгновенное значение момента, развиваемого двигателем при протекании постоянного тока по двум секциям ВД, зависит от положения ротора и определяется формулой 55МмоксОэаф р где Мс,- максимальное значение моментаВД; 46 - угол сдвига ротора от положения, соответствующего макси.мальному момецту.При работе ВД с углами опережения откры.вания ключей иивертора по отношению к точкеяереоечення ааных ЭО ОО, чае сооенеаствует 9 =-1 , угол 6 меняется в пределаху д+ - - и мгновенные значения моментаЬ Ьлишь на 14% меньше его максимального значения, Но если включить двигатель в момент,когда 13 = -, то, несмотря на наличие токаЛв секциях, момент ВД будет равен нулю(Он - 90 эл.град) и его ротор остается в неподвижном состоянии. То же происходит иТпри р- , но при наличии момента статичесТкой нагрузки на валу.Аналогичное явление наблюдается и присмене направления вращения двигателя, когдасостояние некоторых статических триггеров доприхода новой информации соответствуетпрежнему вращению и углы управления ключамиинвертора не соответствуют оптимальным значениям.Кроме того, при применении зависимого ин.вертора с коммутацией тиристоров за счетЭДС фаз синхронной машины несоответствиеуглов управления заданным при переключениирежимов работы может привести к прорывуинвертора и отключению двигателя.Таким образом, известный ВД не обеспечивает пуск с номинальным статическим моментом на валу и имеет неудовлетворительныединамические характеристики,сЦель изобретения - улучшение динамических характеристик вентильного двигателя путем увеличения начального значения момента ВД при пуске, реверсе и измененйи режима работы.Указанная цель достигается тем, что ввентильный электродвигатель, содержащий синхронную машину, секции якорной обмотки которой подключены через инвертор к источни.ку регулируемого напряжения, датчик положения ротора, генератор пилообразного напряже.ния, нуль - органы, выходы которых связаны с входами логических схем совпадения, у кото.рых объединены выходы каналов управления, статические триггеры и узел фиксации исход.ного состояния схемы, введены две группы логических схем совпадения, первые входы которых подключены непосредственно или через инвертирующие логические схемы на соответствующие выходы датчика положения ротора, вторые входы введенных логических схем совпадения первой группы подключены непосредственно или через инвертирующую логическую схему к выходам логических схем совпадения с объединенными выходами,а выходы - на входы соответствующих ста. тических триггеров, вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены непосредственно или через логическую схему И - НЕ на выход узла фиксации исходного состояния схемы.Вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы могут быть подключены непосредственно или через логическую схему И - НЕ на выход логического устройства бестокового переключения режимов работы двигателя.Кроме того, могут быть введены ключи и узел дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен непосредственно или через логическую схему И - НЕ на вторые входы логических схем совпадения дополнительно введенной второй группы, ключи включены между выходами датчика положения ротора и первыми входами логических схем совпадения дополнительно введенной первой группы.На фиг. 1 представлена принципиальная схема вентильного электродвигателя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу,ВД содержит синхронную машину 1 1 СИ), секции якорной обмотки которой через инвертор 2 подключены к источнику 3 регулируемого напряжения, состоящему, например, из регулируемого выпрямителя 4 с системой 5 импульсно - фазового управления, системой 6 регулирования тока и скорости, датчиком 7 нулевого тока и задатчиком 8 скорости ,и направления вращения и датчик 9 положения и пути ротора. К выходВиканалов датчика 9 пути подключены входы индикатора 10 направления вращения и генератора 11 пилообразных напряжений, содержащего, например, счетное устройство и преобразователь код - аналог. Выход генератора пилообразных напряжений подключен на входы нуль - органов 12 - 14, имеющих разный уровень смещения рабочей точки. Вторые входы нуль-органов объединены и подключены на выход задатчика 15 угла управления инвертором. Устройство также содержит по три на каждый канал логических элемента совпадения с объединенными выходами (на первый канал - логические схемы 16 - 18), первые входы которых непосредственно или через ключи 19 (для реверсивного ВД) подключены на выходы соответствующих нуль - органов, Вторые входы логических схем 16 - 18 подключены на соответствующие выходы устройства 20 преобразования сигналов с дат.чика положения ротора в импульсы длительностью 60 эл.град. Выходы устройства 20 через дифференцирующие цепочки 21 подклю 51015203035 40 45 50 Выходы дешифратора на логических элементах 42 - 47 подключены на входы импульсных устройств 48 - 53 ут 1 равления тиристорами инвертора.На фиг. 1 и 2 приняты также следующие обозначения: чены также на вход генератора 11 пилообразных напряжений. Объединенные выходы логических элементов совпадения 16 - 18 подключены через инвертирующую логическую схему 22 на входы логических элементов 23 и 24 совпадения дополнительно введенной первой группы, вторые входы которых подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 25 (для других каналов управления - через логические схемы 26 и 27) и ключи 28 (для реверсивного ВД) на вход датчика положения ротора, Первые входы логических схем 29 и 30 совпадения дополнительно введенной второй группы подключены соответственно непосредственно и через инвертирующий логический элемент 31 (для других каналов управления через логические элементы 32, 33) на выход датчика положения ротора ВД,В нереверсивном ВД вместо двух групп инверти. ,рующих логических элементов 25 - 27 и 31 - 33 может использоваться только одна, например 31 - 33. Вторые входы логических элементов 29 и 30 совпадения дополнительно введенной второй группы объединены и подключены через логическую схему И - НЕ 34 на выходы узла 35 дифференцирования фронтов сигналов с индикатора направления вращения, узла 36 фиксации исходного состояния схемы, представляю. щего собой, например, релейный элемент, включенный в исходном состоянии схемы, и логическое устройство 37 бестокового переключения режимов работы. Соответствующие выходы дополнительно введенных логических элементов совпадения первой и второй групп объединены и подключены на входы статических триггеров (для первого канала управления - на вход статического триггера 38), выходы которых непосредственно или через ключи 39 (для нереверсивного ВД с торможением и реверсивного ВД) подключены к соответствующим входам дешифратора сигналов с триггеров, выполненных на логических элементах И - НЕ 42 - 47, Логические элементы 16 - 18, 22 - 24, 29 и 30 с триггером 38 и ключами 39 предназначены для формирования зон управления про. тивофазными тиристорами инвертора, подключенными к фазе А синхронной машины, Для управления противофазными тиристорами инвер. тора, подключенными к фазам В и С синхронной машины, служат аналогичные группы схем 40 и 41.О - импульсы УПРавления трристороввыпрямителя и инвертора;04, 08, О - логические сигналы на выходедатчика положения ротора;.О+, - напряжение на выходе генераторагпщообразных напряжений 11 и сме.щенные пилообразные напряженияна входе нуль-органов 12-14;О О, О, О - логические сигналы на вы.ходе нуль-органов 12-14: и логического элемента 22;04 - напряжение на выходе задатчика 15угла управления;О ОЙДО , 02 р.5 - логические сигналы навыходах 1, 2 и 3устройства 20;О 24 - логические сигналы навыходе дифференци-рующих цепочек 21;О О - логические сигналы на первомЬИ 1 014 входе логических элементов23 и 24;О 0 - логические сигналы на перЬьхЬьх,фЬ вом и втором выходах статического триггера 38;0 - логический сигнал на выходе34логического элемента И - НЕ 34.В исходном состоянии схемы на выходезадатчика 8 скорости присутствует нулевойсигнал, углы управления тиристорами выпрями.теля 4 близки к 160 эл, град и напряжениена выходе источника 3 регулируемого напря.жения равно нулю ,На выходе узла 36 фиксации исходногосостояния схемы находится логический нуль,который переводит счетное устройство.генера.тора пилообразных напряжений в исходноесостояние, когда иа его выходе также присутствует нулевой сигнал,При этом в зависимости от уровня .сигнала с устройства 15 логический нуль можетбыть на выходе всех нуль - органов или толькодвух, В первом случае на выходе логическихэлементов 16 - 18 совпадения первого каналауправления, а также аналогичных схем другихканалов появляется логическая единица, навыходе инвертирующего логического элемента22 - логический нуль, а выходах схем 23 и24 - логическая единица, которая не влияетна состояние триггера 38. Одновременно на выходе логического элемента И - НЕ 34 под действием сигнала с узла 36 появляется логическая единица, которая снимает блокировку с входа логических элементов 29 и 30 совпадения, При этом сигнал на выходе схем 29 и 30, а значит, и состояние триггера 39 определяется сигналом на их первых входах с датчика положения ротора.Во втором случае, когда на выходе одного из нуль-орагнов находится логическая единица, сигналы на выходах логических элементов 23 и 29, 24 и 30 совпадают и определяются сигналами с датчика положения ротора.Сигналы с выходов статических триггеров через ключи 39 (для первого канала управления) поступают на входы элементов 42 - 47., совпадения, на третьи входы которых поступает сборка импульсов управления регулируемого выпрямителя и импульсы управления тиристо. рами, инвертора, сформированные, например, по фронтам переключения триггеров 38 и триггеров других каналов управления.15 При наличии логических единиц на всехтретьих входах соответствующих двух из шестилогических элементов 42 - 47 на их выходахпоявляется логический нуль, а на выходедвух из шести импульсных устройств 48 - 530появляется управляющий сигнал, которыйоткрывает соответствующие два тиристораинвертора. Но поскольку на выходе выпрями.теля 3 напряжение отсутствует, то ток в секциях синхронной машины не протекает и ротордвигателя неподвижен,При появлении напряжения на выходе за.датчика скорости заданной полярности, соответствующей, например, направлению "Впередфуглы управления тиристорами выпрямителя 4.30становятся меньше 90 эл,град и на выходевыпрямительного моста 4 появляется напряжение. Одновременно логическое устройство 37переключается в состояние, соответствующеенаправлению "Вперед", переводя при этомключи 39 в положение, когда на входы логи 35 чески элемен ов 42-47 поступают сиги свыходов триггеров 38 (для первого каналауправления), также соответствующие направлению "Вперед.На выходах двух импульсных устройств40 появляются управляющие импульсы, два тиристора инвертора 2 открываются и по секциямСМ в соответствии с состоянием датчика положения ротора начинает протекать ток и ротордвигателя поворачивается на определенный угол.45 Индикатор 10 направления вращения включаетсяв состояние, соответствующее направлению"Вперед, включая в этом же направлении ключи 19 и 28.При повороте ротора на выходе генератора50 11 пилообразных напряжений сигнал снижаетсяпо линейному закону (может быть построенасхема ВД, работающая и на нарастание сигналана выходе генератора пилообразных напряжений),55При уменьшении на входе нуль в орга, например,12 суммы сигналов с генератора 11и источника смещения ниже сигнала с задатчика 15 на его выходе появляется логическаяо зо Сигнал на перевод ВД в тормозной режим или на реверс поступает с системы 6 регулирования тока и скорости ВД, При этом тирис 55 торы выпрямителя 4 переводятся в инверторный режим, ток секции СМ спадает ло нуля, логическое устройство 37 переключается, переключая ключи 39 таким образом, чтобы фаза единица, которая поступает на первый вход логического элемента 16 первого канала управления и первые входы аналогичных схем вто.рого и третьего каналов управления. При этом в соответствии с 60 град. зоной разрешения (наличие логической единицы на втором входе, например, логической схемы 16 с устройства 20) сигнал с нуль-органа проходит через ло гический элемент 22 на вход логических элемен.тов совпадения 23 и 24, на одш из первых входов которых, например 23, поступает сигнал разрешения (логическая единица) длительностью 180 эл.град через ключи 28 с датчика 9 положения ротора. При наличии двух логи.ческих.единиц на входе логического элемента 23 на ее выходе появляется логический нуль, который переключает статический триггер 38.Сигнал на входах логических схем И - НЕ 42, 43, 46 и 47 меняется, что приводит к включению других импульсных устройств и открытию другой пары ключей инвертора 2, При этом ток нагрузки протекает по другим секциям СМ и ротор двигателя начинает поворачиваться на следующие 60 эл.град.В моменты смены сигналов с каналов дат 25 чика положения ротора,через 60 эл.град) дифференцирующие цепочки 21 пропускают передний фронт сигнала на вход генератора пилообразных напряжений, который приводит генератор в исходное состояние. При дальнейшем поворотеротора сигнал на его выходе вновь снижается по прямолинейному закону и после его уменьшения ниже задающего с задатчика 15 вновь включается нуль - орган и сигнал с него проходит в соответствии с зонами разрешения с устройства 20 и датчика положения ротора на вход статического триггера, но уже другого канала управления. Вновь происходит переключение ключей инвертора 2 и поворот ротора еще на 60 эл.град, СМ работает в двигательном режиме. При этом на выходе узлов 35 и 36 присутствуют логические единицы, а на выходе логической схемы И - НЕ 34 - логический нуль, который запрещает прохождение сигнала с датчика положения ротора на логические элементы 29 и 30 и45 вход статического триггера и последний управляется сигналами с нуль - органа в соответствии с сигналами зон разрешения с датчи.ка 9, поступающими через ключи 28 и логические элементы 25 - 27 на входы логических 50 -элементов 23 и 24. сигналов со статических триггеров на входылогических элементов 42 - 47 сменилась на180 эл.град, Одновременно в момент переклю.чения логического устройства 37 на одном изего выходов кратковременно появляетсялогический нуль, который поступает на входлогического элемента И - НЕ 34. На ее выходепоявляется логическая елиница, которая поступает на входы логических элементов 29 и 30 первого канала управления и входы аналогичных схем других каналов управления. Прн этом на их выходах появляются сигналы в соответствии с сигналами датчика 9, приводя в соответствие с ними состояние статическихтриггеров.Если в первый момент после исчезновения логического нуля на входе элемента 34 сиг.палы на выходе нуль - органов 12 - 14 равны нулю, то углы управления тиристоров инвертора 2 устанавливаются в соответствие с датчиком положения ротора, сохраняя свое значение до прихода информации с нуль - органов.Аналогичным образом происходит обновление информации на входе статических триггеров и при смене направления вращения, При этом в случае переключения индикатора направления вращения через узел 35 дифференцирования фронтов сигналов на входе лопчес кого элемента 34 появляется кратковременно" логический нуль, а на его выходе - логическая единица, разрешая прохождение сигналов с датчика 9 на вход статических триггсров.Таким образом, благодаря использованию вновь введенных элементов перед пуском, сме ной направления вращения и при переключении режима работы происходит установка статических триггеров в соответствие с датчиком положения ротора, а значит, и углов управления ключаминвертора соответственно заданным. Это повышает пусковой момент двигателя, улучшает его динамические характеристики и позволяет применить наиболее простой тип инвертора - зависимый, где коммуташя тока тиристоров осуществляется за счет ЭДГ секции вентильного двигателя.Формула изобретения1. Вентильный электродвигатель, содержащий индуктор, якорь с обмоткой, секции которой подключены через инвертор к источнику регулируемого напряжения, датчик положения ротора, генератор пилообразного напряжения, нуль - органы, выходы которых связаны с входами логических элементов совладения, у которых объединены выходы каналов управления, статические триггеры и узел фиксации исходного состояния триггеров, о т л и ч а ю 970578щ и й с я тем, что, с целью улучшения динамических характеристик вентильного двига. теля, введены две группы логических элементов совпадения, первые входы которых подключены к выходу датчика положения ротора, вторые входы введенных логических элементов совпадения первой группы подключены к выходам логических элементов совпадения с объединенными выходами, а выходы соединены с входами статических триггеров, вторые 10 входы логических элементов совпадения введенной второй группы объединены и подключены к выходу узла фиксации исходного состояния. 2, Электродвигатель по п. 1, о т л и 15ч а ю щ и й с я тем, что он снабжен блокомбестокового переключения режимов работыдвигателя, к выходу которого подключены вто 12рые входы логических элементов совпадениявведенной второй группы.3, Электродвигатель по п. 1, о т л и ч а .ю щ и й с я тем, что дополнительновведены ключи и узел дифференцирования фрон.тов сигналов с индикатора направления вращения, выход которого подключен на вторыевходы логических элементов совпадения введенной второй группы, ключи подсоединены междувыходами датчика положения ротора и первымивходами логических элементов совпадения введенной первой группы,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР У 524275,кл. Н 02 К 29/00, 1973,2. Авторское свидетельство СССР Хо 527804,кл. Н 02 К 29(00, 1974.