RU86810U1

RU86810U1 - VENTILY MOTOR BASED ON AN ADJUSTABLE THREE PHASE ASYNCHRONOUS

Info

Publication number: RU86810U1
Application number: RU2009100388/22U
Authority: RU
Inventors: Владислав Витальевич Кочергин; Белла Васильевна Закревская
Priority date: 2009-01-11
Filing date: 2009-01-11
Publication date: 2009-09-10

Abstract

1. Вентильный двигатель на основе регулируемого трехфазного асинхронного, включающий в себя статор, ротор и последовательно соединенные 3-фазный широтно-импульсный модулятор, блок драйверов, инвертор, выход которого соединен с обмоткой статора, а шины питания соединены с источником постоянного напряжения, отличающийся тем, что его ротор выполнен с постоянными магнитами с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки статора, и дополнительно содержит датчик положения ротора, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор, преобразователь координат двухфазного сигнала в трехфазный и три умножителя, причем первые входы умножителей соединены с источником входного сигнала, вторые входы соединены каждый с первым, вторыми третьим выходами преобразователя координат, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами синусно-косинусного вращающегося трансформатора, а выходы умножителей соединены с первым, вторым и третьим входами широтно-импульсного модулятора. ! 2. Вентильный двигатель по п.1, отличающийся тем, что синусно-косинусный вращающийся трансформатор содержит одинаковое число полюсов с числом полюсов ротора двигателя. ! 3. Вентильный двигатель по п.1, отличающийся тем, что в нем преобразователь координат, умножители и широтно-импульсный модулятор выполнены на программируемом микроконтроллере.1. A motor based on an adjustable three-phase asynchronous motor, including a stator, a rotor and a 3-phase pulse-width modulator connected in series, a driver block, an inverter, the output of which is connected to the stator winding, and the power bus is connected to a constant voltage source, characterized in that its rotor is made with permanent magnets with a number of poles equal to the number of poles of the stator winding, and further comprises a rotor position sensor, for example a sine-cosine rotary transformer, a conversion a coordinate generator of a two-phase signal into three-phase and three multipliers, the first inputs of the multipliers being connected to the input signal source, the second inputs being connected each to the first, second third outputs of the coordinate transformer, the first and second inputs of which are connected to the first and second outputs of the sine-cosine rotating transformer, and the outputs of the multipliers are connected to the first, second, and third inputs of a pulse-width modulator. ! 2. The valve motor according to claim 1, characterized in that the sine-cosine rotary transformer contains the same number of poles with the number of poles of the motor rotor. ! 3. The valve motor according to claim 1, characterized in that in it the coordinate converter, multipliers and pulse-width modulator are made on a programmable microcontroller.

Description

Полезная модель относится к электрическим машинам и может быть использована в электроприводе.The utility model relates to electric machines and can be used in an electric drive.

Известны синхронные вентильные двигатели [1]. Их недостатки - отсутствие унификации по габаритным и присоединительным размерам с асинхронными двигателями аналогичной мощности, ограничивающая конструктивную взаимозаменяемость, высокая стоимость из-за мелкосерийного производства.Known synchronous valve motors [1]. Their disadvantages are the lack of unification in overall and mounting dimensions with asynchronous motors of similar power, limiting structural interchangeability, and high cost due to small-scale production.

Известны регулируемые электроприводы с асинхронным двигателем [2, Рис.3.10, 3.16]. Их недостатки - низкий КПД низкие динамические свойства, меньшая удельная мощность, сложная схема управления, отсутствие унификации по конструктивным элементам и габаритно-присоединительным размерам с синхронными двигателями аналогичной мощности.Known adjustable electric drives with an induction motor [2, Fig.3.10, 3.16]. Their disadvantages are low efficiency, low dynamic properties, lower power density, complex control scheme, lack of unification in terms of structural elements and overall and mounting dimensions with synchronous motors of similar power.

Прототипом предлагаемого вентильного двигателя является Система векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя [3].The prototype of the proposed valve motor is a Vector control system for the speed of an induction motor [3].

Предлагаемый вентильный двигатель на базе асинхронного по сравнению с прототипом решает задачи повышения КПД, удельной мощности и динамических характеристик, снижения стоимости вентильного двигателя за счет использования технологичных корпусных деталей серийного асинхронного двигателя, обеспечения унификации по габаритным и присоединительным размерам.The proposed induction motor in comparison with the prototype solves the problems of increasing efficiency, specific power and dynamic characteristics, reducing the cost of the valve motor through the use of high-tech body parts of a serial asynchronous motor, ensuring unification in overall and mounting dimensions.

Поставленная задача решается тем, что в вентильном двигателе на основе трехфазного асинхронного, включающем в себя статор, ротор и последовательно соединенные 3-х фазный широтно-импульсный модулятор (ШИМ), блок драйверов, инвертор, выход которого соединен с обмоткой статора, а шины питания соединены с источником постоянного напряжения, ротор выполнен с постоянными магнитами с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки статора и дополнительно содержит датчик положения ротора, например синусно-косинусный вращающийся трансформатор (СКВТ), преобразователь координат (ПК) двухфазного сигнала в трехфазный и три умножителя, причем первые входы умножителей соединены с источником входного сигнала, вторые входы соединены каждый с первым, вторыми третьим выходами ПК, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выходами СКВТ, а выходы умножителей соединены с первым, вторым и третьим входами ШИМ.The problem is solved in that in a three-phase asynchronous inboard motor, which includes a stator, a rotor and a 3-phase pulse-width modulator (PWM) in series, a driver unit, an inverter, the output of which is connected to the stator winding, and the power bus connected to a constant voltage source, the rotor is made with permanent magnets with a number of poles equal to the number of poles of the stator winding and further comprises a rotor position sensor, for example a sine-cosine rotary transformer (SCRT ), a coordinate converter (PC) of a two-phase signal into a three-phase and three multipliers, the first inputs of the multipliers being connected to the input source, the second inputs being connected each to the first, second third outputs of the PC, the first and second inputs of which are connected to the first and second outputs of the SCR, and the outputs of the multipliers are connected to the first, second and third inputs of the PWM.

При этом СКВТ содержит одинаковое число полюсов с числом полюсов ротора двигателя, а ПК, умножители и ШИМ выполнены на программируемом микроконтроллере.In this case, the SCRT contains the same number of poles with the number of poles of the motor rotor, and PCs, multipliers, and PWM are made on a programmable microcontroller.

Устройство и работу вентильного двигателя поясняют чертежи, Фиг.1, 2, 3,4.The device and operation of the valve motor explain the drawings, Fig.1, 2, 3,4.

На Фиг.1 изображена функциональная электрическая схема вентильного двигателя.Figure 1 shows a functional electrical diagram of a valve motor.

На Фиг.2 показана конструкция собственно двигателя.Figure 2 shows the design of the engine itself.

Фиг.3 поясняет преобразование двухфазных сигналов в трехфазные, осуществляемое ПК.Figure 3 explains the conversion of two-phase signals into three-phase, carried out by the PC.

На Фиг.4 приведены механические характеристики исходного асинхронного двигателя и вентильного двигателя на базе асинхронного с тремя основными вариантами исполнения ротора.Figure 4 shows the mechanical characteristics of the original asynchronous motor and a valve motor based on an asynchronous motor with three main rotor options.

Заявляемый вентильный двигатель на базе асинхронного (Фиг.1) содержит элементы асинхронного управляемого двигателя 1: 3-х фазный ШИМ 2, блок драйверов 3, инвертор 4, выход которого соединен с обмоткой статора 13 трехфазного асинхронного двигателя, а шины питания соединены с источником постоянного напряжения 11 и 12. В статоре асинхронного двигателя 13 размещен ротор 14, соединенный с осью СКВТ 15, синусная и косинусная обмотки которого соединены цепями 21 и 22 со входом ПК 16, 3-х фазный выход последнего - цепи 23-25 связан со вторыми входами умножителей 17-19, первые входы которого соединены с источником входного сигнала 20. Выходы умножителей цепями 26-28 соединены со входами ШИМ, выходы которого цепями 29-31 соединены со входами блока драйверов 3, шесть выходов последнего цепями 32-37 связаны с затворами или базами транзисторов 5-10 соответственно инвертора. Собственно электродвигатель содержит элементы асинхронного двигателя: корпус со щитами и подшипниками 38, запрессованный в корпус пакет статора 39 с обмоткой 13 и вал 40. В двигателе установлен ротор 14, включающий в себя кольцевой магнит 41, посаженный на стальной сердечник 42, жестко связанный с валом 40. В пространстве, свободном от лобовых частей короткозамкнутого ротора исходного асинхронного двигателя размещен СКВТ 15, причем ротор посажен на вал 40, а статор посредством втулки 43 связан с корпусом двигателя. Кольцевой магнит 41 вместе с сердечником 42 образуют магнитную систему двигателя с числом полюсов, равным числу полюсов обмотки статора 13. Намагничивание магнита производится до сборки ротора.The inventive induction motor based on an asynchronous motor (FIG. 1) contains elements of an asynchronous controlled motor 1: 3-phase PWM 2, a driver unit 3, an inverter 4, the output of which is connected to the stator winding 13 of a three-phase asynchronous motor, and the power bus is connected to a constant source voltages 11 and 12. In the stator of the induction motor 13 there is a rotor 14 connected to the axis of an SCVT 15, the sine and cosine windings of which are connected by circuits 21 and 22 to the input of PC 16, the 3-phase output of the latter - circuit 23-25 is connected to the second inputs multipliers 17-19 the first inputs of which are connected to the input signal source 20. The outputs of the multipliers by circuits 26-28 are connected to the inputs of the PWM, the outputs of which are connected by the circuits 29-31 to the inputs of the driver unit 3, the six outputs of the last circuit 32-37 are connected to the gates or bases of transistors 5- 10 respectively inverter. Actually, the electric motor contains elements of an induction motor: a housing with shields and bearings 38, a stator package 39 with a winding 13 and a shaft 40 pressed into the housing. A rotor 14 is installed in the engine, including an annular magnet 41 mounted on a steel core 42, rigidly connected to the shaft 40. In the space that is free from the frontal parts of the squirrel-cage rotor of the original induction motor, SKVT 15 is placed, the rotor mounted on the shaft 40, and the stator through the sleeve 43 connected to the motor housing. The ring magnet 41 together with the core 42 form a magnetic system of the motor with the number of poles equal to the number of poles of the stator winding 13. Magnetization of the magnet is carried out before the assembly of the rotor.

Работа вентильного двигателя заключается в следующем. СКВТ 15 вырабатывает сигналы Uα=Umsinφ и Uβ=Umcosφ, пропорциональные синусу и косинусу угла поворота φ ротора 14 двигателя, которые поступают на вход ПК 16, преобразующего двухфазный сигнал СКВТ в трехфазный (Фиг.3) по формулам:The operation of the valve motor is as follows. SKVT 15 generates signals Uα = Umsinφ and Uβ = Umcosφ proportional to the sine and cosine of the angle of rotation φ of the rotor 14 of the engine, which are input to PC 16, which converts the two-phase signal to the three-phase SKVT (Figure 3) according to the formulas:

Сигналы Ua 25, Ub 24 и Uc 23 умножаются на входной сигнал 20, изменяющийся от нуля до «единицы». Выходные синусоидальные по форме (при вращении двигателя с постоянной скоростью) сигналы умножителей 26-28 поступают на вход 3-х фазного ШИМ 2, с выхода которого снимаются импульсные сигналы 29-31, модулированные по ширине импульса, так что ширина импульса, пропорциональна текущему значению входных сигналов ШИМ. Выходные сигналы ШИМ управляют блоком драйверов 3, который в свою очередь управляет транзисторами 5-10 инвертора 4, выход которого подключен к обмоткам 3-х фазного асинхронного двигателя 13, огибающие напряжения которого, снимаемого с инвертора по форме повторяют синусоидальные сигналы, снимаемые с выхода ПК 16, а по амплитуде пропорциональны входному сигналу 20. Для обеспечения регулирования скорости двигателя СКВТ 15 должен быть выставлен по исходному углу поворота таким образом, чтобы результирующий вектор фазного напряжения обмотки статора был перпендикулярен продольной оси намагничивания полюсной системы ротора двигателя 14.The signals Ua 25, Ub 24 and Uc 23 are multiplied by the input signal 20, varying from zero to "unity". The output sinusoidal in shape (when the motor rotates at a constant speed) the signals of the multipliers 26-28 are fed to the input of a 3-phase PWM 2, the output of which is pulsed signals 29-31, modulated by the pulse width, so that the pulse width is proportional to the current value PWM input signals. The PWM output signals control the driver block 3, which in turn controls the transistors 5-10 of the inverter 4, the output of which is connected to the windings of a 3-phase asynchronous motor 13, the envelopes of the voltage of which is removed from the inverter in shape repeat the sinusoidal signals taken from the output of the PC 16, and in amplitude they are proportional to the input signal 20. To ensure regulation of the motor speed, the SCRT 15 must be set at the initial angle of rotation so that the resulting vector of the phase voltage of the winding and perpendicular to the longitudinal axis magnetizing pole rotor system 14.

Отличие регулировочных, динамических и энергетических характеристик вентильного двигателя на основе асинхронного иллюстрирует Фиг.4, где показаны механическая характеристика исходного двигателя - А и три механические характеристики вентильного двигателя на базе данного асинхронного-С, отличающиеся одна от другой своим наклоном, скоростями холостого хода - n_х, n_x1, n_х2 и пусковыми моментами М_п, M_п.1, М_п.2. Разный ход механических характеристик обусловлен выбором индукции магнитов. Если магниты выбраны так, что обеспечивают индукцию в воздушном зазоре, равную индукции в исходном асинхронном двигателе, то скорость холостого хода такая же, как и исходного - n_х, но наклон механической характеристики преобразованного вентильного двигателя меньше, чем наклон линейного участка механической характеристики асинхронного двигателя, поэтому момент преобразованного двигателя Мн получается больше, чем номинальный момент асинхронного двигателя Мн.а, а следовательно, и больше мощность на валу при одном и том же фазном токе. При этом и КПД будет выше, а температура нагрева ниже, поскольку в роторе с постоянными магнитами тепло не выделяется в отличие от ротора асинхронного двигателя, потери в меди которого практически равны потерям в обмотке статора. При выборе магнитов с меньшей индукцией вентильный двигатель получается «скоростным» по сравнению с исходным (n_x1>n_х), а при большей остаточной индукции магнитов двигатель получается «моментным» (n_х2<n_х), что расширяет его функциональные возможности. Кроме того, при соответствующем исполнении инвертора, допускающего импульсную перегрузку по току, и пусковой момент преобразованного двигателя Мп существенно больше пускового Мп.а и критического Мк.а моментов исходного асинхронного двигателя, что обеспечивает более высокие динамические свойства заявленного двигателя.Figure 4 shows the difference in the adjusting, dynamic, and energy characteristics of a valve motor based on an asynchronous motor, where the mechanical characteristic of the original motor - A and three mechanical characteristics of the valve motor based on this asynchronous-C are shown, differing from each other in their slope, idling speeds - n _x , n _x1 , n _x2 and starting moments M _p , M _p . ₁ , M _p . ₂ . The different course of mechanical characteristics is determined by the choice of induction of magnets. If the magnets are selected to provide induction in the air gap equal to the induction in the original induction motor, then the idle speed is the same as the original - n _x , but the slope of the mechanical characteristic of the converted valve motor is less than the slope of the linear section of the mechanical characteristic of the induction motor , therefore, the torque of the converted motor Mn is greater than the rated torque of the asynchronous motor Mn.a, and therefore, the shaft power at the same phase current is greater. In this case, the efficiency will be higher and the heating temperature lower, since heat is not generated in the rotor with permanent magnets, unlike the rotor of an induction motor, the copper losses of which are almost equal to the losses in the stator winding. When choosing magnets with less induction, the valve motor turns out to be “high-speed” in comparison with the initial one (n _x1 > n _x ), and with a larger residual induction of magnets the motor turns out to be “torque” (n _x2 <n _x ), which expands its functionality. In addition, with the corresponding design of the inverter, which allows pulse current overload, and the starting torque of the converted motor, Mp is significantly greater than the starting Mpa and critical Mk.a of the moments of the initial asynchronous motor, which ensures higher dynamic properties of the claimed motor.

Список использованных источников информации.List of used information sources.

1. Жуков В.П., Нестерин В.А. Высокомоментные вентильные электродвигатели серии 5ДВМ. Электротехника, 2000, №6.1. Zhukov V.P., Nesterin V.A. High torque 5DVM valve motors. Electrical Engineering, 2000, No. 6.

2. Слежановский О-В.и др. Системы подчиненного регулирования электроприводов переменного тока с вентильными преобразователями. - Москва: Энергоатомиздат, 1983.2. Sledzhanovsky O-V. and other systems of subordinate regulation of AC electric drives with valve converters. - Moscow: Energoatomizdat, 1983.

3. Патент РФ 2317632, МПК Н02Р 21/00. Система векторного управления скоростью асинхронного электродвигателя. (прототип)3. RF patent 2317632, IPC Н02Р 21/00. Vector control system for the speed of an induction motor. (prototype)

Claims

1. A motor based on an adjustable three-phase asynchronous motor, including a stator, a rotor and a 3-phase pulse-width modulator connected in series, a driver block, an inverter, the output of which is connected to the stator winding, and the power bus is connected to a constant voltage source, characterized in that its rotor is made with permanent magnets with a number of poles equal to the number of poles of the stator winding, and further comprises a rotor position sensor, for example a sine-cosine rotary transformer, a conversion a coordinate generator of a two-phase signal into three-phase and three multipliers, the first inputs of the multipliers being connected to the input signal source, the second inputs being connected each to the first, second third outputs of the coordinate transformer, the first and second inputs of which are connected to the first and second outputs of the sine-cosine rotating transformer, and the outputs of the multipliers are connected to the first, second, and third inputs of a pulse-width modulator.

2. The valve motor according to claim 1, characterized in that the sine-cosine rotary transformer contains the same number of poles with the number of poles of the motor rotor.

3. The valve motor according to claim 1, characterized in that in it the coordinate converter, multipliers and pulse-width modulator are made on a programmable microcontroller.