SU1081753A1 - Вентильный двигатель - Google Patents

Abstract

1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с т-фазной  корной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими дл  подключени  фаз обмотки к источнику посто нного напр жени , датчик положени  ротора с m чувствительными элементами типа дроссель насыщени , преобразователь посто нного напр жени  в nepeMefHHoe и т-канальное логи.ческое устройство, подключенное между выходами датчика и входами коммутатора каждый канал которого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и RS-триггера с логическими элементами на Е,Б-входах, дроссель насыщени  подключен параллельно входу транзистора, пр мой выход триггера соединен с входом клю ча коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразовател  напр жени  через резистор, о тличающ-ийс  тем, что, с целью повышени  надежности и расыирени  области применени , он с::абжен логическими элекюитами И и ИЛИ с (т-1) входами, на S-входе Триггера подключен логический элемент И с трем  входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного i канала, а второй и третий соединены соответственно с коллектором транзиКл стора последующего и предьадущего каналов , на R-входе триггера подключен логический элемент ИЛИ с (т-1) входами , соединенными с выходом трехвходового логического элемента И других каналов. 2. Двигатель по п.1, от л и чающийс  тем, что в каждый канал логического устройства дополни00 тельно введены два резистора, первый из которых подключен в цепь эмиттера транзистора, а второй.- между эмитте ром транзистора и инверсным выходом ел триггера. 00

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к специальным эле трическим машинам,и может быть использовано при разработке высоконадежных экономичных систем электропривода . Известны вентильные двигатели (В состо щие из электрической машины п ременного тока, как правило, с вращающимс  индуктором, коммутатора, подключающего фазы  корной обмотки источнику посто нного напр жени  ил тока, датчика положени  ротора (ДПР с чувствительными элементами типа дроссель насыщени  и устройства св  зи, с помощью которого выходы ДПР соединены с управл кндими цеп ми ком мутатора Cl3Из-за существующего технологичес кого разброса параметров диодов в мостах происходит подмагничиваение дросселей, наход щихс  вне пол  инд тора ДПР. По этой причине ВД этого типа имеют невысокие энергетические показатели и завышенные габариты. Более эффективно построены ВД второго и третьего типа с RS-триггерами в составе устройства св зи. На личие триггеров обеспечивает высоко экономичную работу силовых элементо ВД. Однако ВД второго типа реализуемы только с четным числом дрюсселей насыщени  ( п 7, 4 ), а ВД третьего типа дополн ютс  блоком временных задержек на дискретных элементах. Оба фаК тора ограличивают возможности по минимизации массы и габаритов ВД. Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  ВД, содержащий статор с п-фазной  корной обмоткой, ротор, ДПР, усилители мощности , по одному на фаЭу  корной обмотки , образующие коммутатор, и п-ка нальное устройство св зи, состо щее из соединенных последовательно в каж дом канале усилител , инвертора и RS-триггера с логическим элементом И на втором входе. Триггер включен в указанную цепь по первому входу. Уси литель подключен к обмотке дроссел  насыщени  (выходу ДПР), а выход триг гера объединен со входом усилител  мощности. Кроме того, входы логического элемента И объединены с выходами двух триггеров, вход щих в состав последующих по очередности работы каналов устройства св зи. ВД с указанным устройством св зи содержит минимум дискретных элементов , может быть выполнен с произволь ным числом фаз  корной об,мотки и име ет высокий коэффициент полезного дей стви  (RS-триггер обеЬпечивает экокомичную работу усилителей мощности ключевом режиме) С2}. . Однако из-за нёрациойальности выполнени  междуканальных /св зей. ВД недостаточна надежен и имеет .ограничени  по применению. Значительно усложн етс  реализаци  реверсивного варианта ВД ввиду необходимости дополнени  устройства св зи сложным блоком дл  перекоммутации междуканальных св зей в момент смены направле ни  вращени . В этот момент отстающие каналы по очередности работы станов тс  опережающими. В услови х помех или кратковременных перерывах питани  возможно переключение триггеров в несогласованное состо ние, что приводит к нарушению работоспособности ВД. По этой причине перед каждым включением устройства необходимо производить установку триггеров в исходное состо ние дл  обеспечени  гарантированного пуска ВД. Недостатком данного ВД  вл етс  также невысока  помехозащищенность. Цель изобретени  - повышение надежности работы ВД и расширение области его применени . Это достигаетс  тем, что ВД, содержащий статор с ш-фазной  корной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими дл  подключени  фаз обмотки к источнику посто нного напр жени , датчик положени  ротора с m чувствительными элементами типа дроссель насыщени , преобразователь посто нного напр жени  в переменное и m-канальное логическое устройство, включенное между выходами датчика и входами коммутатора, каждый канал ко торого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и RS-триггера с логическими элементами на в,5-входах, дроссель насыщени  подключен параллельно входу транзистора , пр мой выход триггера соединен с входом ключа коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразовател  напр жени  через резистор , снабжен логическими элементами И и ИЛИ с (т-1) входами, на S-входе триггера включен логический элемент И с трем  входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного канала, а второй и третий соединены соответственно с коллектором транзистора последующего и предыдущего каналов, на R-входе триггера включен логический элемент ИЛИ с (т-1)входами и соединен по ним с выходом трехвходового логического элемента И всех каналов, исключа  одноименный . Кроме того, в каждый канал логического устройства дополнительно введены два резистора, первый из которых включен в цепь эмиттера транзистора ,а второй - между эмиттером транзистора и инверсным выходом триггера . Все междуканальные св зи выполнены без использовани  выходов триггеров и независимо от направлени  вращени  электрической машины. Указанна логика схемных взаимосв зей обеспечи вает не только первоначальную ориентацию RS-триггеров по сигналам ДПР перед пуском ВД, но и повтор ет ее в процессе работы с частотой источника переменного напр жени . В результате ВД работоспособен и в услови х повышенного уровн  помех, и при кратковременных перерывах электросна бжени . Кроме того, данный ВД без из менений устройства св зи может быть реализован в реверсивном варианте, например, только за счет реверса пол  индуктора. На фиг.1. представлена принципиаль на  электрическа  схема ВД; на фиг.2 и 3 - угловые и временные характерис тики изменени  длительностей импульсов на основных элементах ВД, на фиг.4 - диаграмма изменени  длительности импульсов на входе логического элемента И с учетом резистивной св зи в функции угла поворота. Устройство (фиг.1) содержит ДПР 1 состо щий из диэлектрической втулки в радиальных пазах которой размещены дроссели насыщени , и диска с секторообразными . прорез ми 3, устройство св зи с однотипными каналами 4, рези тор 5, транзистор б проводимости п-р-п, резисторы 7 и 8, инвертор 9, логические элементы И 10 и ИЛИ 11, RS-триггер 12, коммутатор с бесконтактными ключами 13, электрическа  машина переменного тока 14 с  корной обмоткой, содержащей секции А,В...М на статоре, и вращающимс  индуктором 15, преобразователь 16 посто нного напр жени  в переменное повышенной частоты (f±10-15 кГц), именуемый в дальнейшем преобразователь напр жени ., На фиг.2-4 обозначены: г длительность нулевых импульсов на вы ходе транзистора соответствующих каналов св зи 1,П, М) Т тельность единичных импульсов на выходе логического элемента И 10; U 2выходное напр жение RS-триггера 12; и ; Оц, и - напр жение, на коллек трое транзистора в соответствующем канале св зи 1,П,М; Ug - напр жение на выходе инвертора;U o, напр жение на выходе логического элемента И; f , Т , t: , Т   - длительности нулевых (единичных) импульсов при нуле вом единичном сигнале на пр мом выходе RS-триггера соответствующего ка нала св зи. Конструктивную основу ВД составл  ет электрическа  машина (ЭМ)14 переменного тока с вращающимс  индуктором 15 электромагнитного или магнитоэлектрического типа. Якорна  обмот ка расположена на статоре ЭМ и соеди нена в п лучевуюзвезду А,В...М. Угловое положение индуктора ВД контролируетс  ДПР 1. Конструктивно ДПР состоит из двух основных деталей: диэлектрической втулки 2 с m радиальными пазами на внутренней поверхности и диска 3 с симметричными секторообразными прорез ми. Диэлектри ческа  втулка крепитс  к подшипниковому щиту ЭМ, а профилированный диск насаживаетс  на вал ЭМ и стопоритс  в плоскости симметрии втулки. Диск изготавливаетс  из магнитотвердого материала и намагничиваетс  радиально . Ширина каждой секторообразной прорези равна 360/тр геометрических градусов. Пазы на втулке расположены со сдвигом на 360/тр геометрических градусов по расточке, и в каждом из них закреплено по одному дросселю насьндени . Дроссели насыщени  изготовлены из миниатюрных ферритовых колец. Здесь р - число пар полюсов индуктора ЭМ, am- число фаз  корной обмотки. Электронную часть ВД составл ют устройство 4 св зи, коммутатор 13 и преобразователь 16 напр жени , с помощью которых ЭМ 14 переменного тока с ДПР 1 преобразуетс  в бесконтактную машину посто нного тока. Устройство св зи состоит из однотипных каналов, объединенных между собой логическими св з ми. Каждый канал св зи содержит три основных элемента: транзистор 6, инвертор 9 и RS-триггер 12 с логическими элементами на входах. На пр мом входе S установлен трехвходовый логический элемент И 10, а на входе R - логический элемент ИЛИ 11 с (т-1) входами. Транзистор 6 включен по схеме с общим эмиттером. Его вход  вл етс  входом канала св зи. Параллельно ему подключена обмотка дроссел . Коллекторный вывод транзистора соединен с входом .инвертора 9 (логического элемента НЕ) и дополнительно подключен к источнику питающего напр жени  через балластный резистор дл  повышени  помехоустойчивости. Выход инвертора соединен с первым входом трехвходового элемента И. Второй и третий входы элемента подключены к коллекторам тран 3 исторов, соответствен но/последующего и опережающего каналов. Входы (т-1)-входового логического элемента ИЛИ подключены соответственно к выходу трехвходового логического элемента И всех каналов св зи, исключа  рассматриваемый. Пр мой выход триггера 12  вл етс  выходом канала св зи и поэтому к нему подключена фаза А  корной обмотки через бесконтактный ключ коммутатора 13. С целью повышени  надежности работы ВД на объектах- с высоким уровнем вибраций инверсный выход триггера 12 соединен .с эмиттером транзистора 6 через резистор 8 и, кроме того, между эмиттером транзистора и общей точкой устройства включен -второй резистор 7. Питание дросселей насыщени  произ водитс  от преобразовател  напр жени  .16, который выполнен по одной из модификаций широко известной схемы Ройера. Выходна  обмотка преобразова тел  напр жени  подключена параллель но к обмотке всех дросселей насыщени  ДПР через разв зывак цие резисторы , в частности к обмотке дроссел  насыщени  первого канала подключение выполнено через резистор 5. Конструк -тивна  т-канальна  симметричность по строени  ВД обуславливает т-фазную повтор емость электромагнитных процессов в устройстве. Поэтому рассмо- РИМ работу ВД на примере одной фазы А. С целью определенности изложени  за исходное положение ротора ВД примем положение, при котором дроссель насыщени , св занный с входом транзистора 6, находитс  против прорези секторообразного индуктора ДПР и его серденчик не пронизываетс  магнитным полем индуктора. При подаче в устройство питак цего напр жени  преобразователь 16 напр жени  начинает формировать на выходе переменного напр жени  пр моугольной форг-и и повышенной частоты f ее 10 кГц Переменное напр жение поступает на обмотку дроссел  насыщени  и на вход транзистора б через резистор 5. Пара метры дросселей (число витков W, сечение s) и его индукци  В выбраны из услови  перемагничивани  сердечника по частному циклу кривой намагничивани  (ДВ/2 0,9 Вд) переменным напр жением , приложенным к обмотке,где ЕС - индукци  насыщени  сердечника. Индуктивное сопротивление ненасыщенного дроссел  во многом больше индуктивного сопротивлени  насыщенного дроссел . Поэтому при положительной полуволне напр жени , больша  часть тока, протекакхца  через резистор 5, ответвл етс  в базовую цепь транзистора 6. Транзистор открываетс  и находитс  в открытом состо нии полпери ода. Отрицательной полуволной напр жени  транзистор закрываетс . Дл  прин того исходного положени  отдельные дроссели наход тс  в зоне действи  магниТ ного пол  индуктора ДПР и их сердечники насыщены. Низкоомньал сопротивлением насыщенных дрос селей шунтируютс  входные цепи транзисторов и последние надежно закрыты при любой пол рности переменного напр жени . Условимс  высокий потенциал на входе (выходе) элемента,устройства счит&ть единичным; а низкий - нулевым . Дальнейшее преобраз,ование сигна лов в каналебв зи происходит таким образом. Нулевые импульсы с выхода транзистора б поступают на вход инвертора 9, на его выходе станов тс  единичными, и, в свою очередь, поступают на первый вход логического элемента И 10. На второй и третий входы логического элемента И поступают единичные сигналы с выхода закрытых транзисторов двух других каналов св зи . Дл  данной входной комбинации сигналов логический элемент И передает единичные импульсы с первого входа на свой выход и соответственно на S-вход триггера 12. Первым входным импульсом триггер 12 устанавливаетс  в единичное состо ние, а триггеры остальных каналов св зи этим импульсом перевод тс  в нулевое состо ние по междуканальным св з м через логические элементы ИЛИ. Последующие импульсы повтор ют прин тые триггерами состо ни . Единичным сигналом с выхода триггера 12 открываетс  бесконтактный ключ коммутатора 13 и подключаетс  фаза А  корной обмотки к источнику посто нного напр жени . По фазе А начинает протекать ток. От взаимодействи  тока с магнитным полем индуктора 15 возникает вращающий момент. Ротор ЭМ начинает поворачиватьс . Пусть вращение ротора происходит в направлении первоочередного по влени  прорези индуктора ДПР над одним дросселем. При по влении прорези над следующим по направлению вращени  дросселем первый дроссель начинает входить в зону действи  магнитного пол  индуктора ДПР вследствие выбранной геометрии датчика. Первый сердечник дроссел  начинает подмагничиватьс  полем индуктора, а второй сердечник дроссел  выходит из насыщенного состо ни  и начинает перемагничиватьс  переменным напр жением.В процессе перемагничивани  сопротивление дроссел  значительно увеличиваетс  и при положительной полуволне напр жени  транзистор в следующем канале св зи кратковременно открываетс . Длительность открытого состо ни  тран зистора пропорциональна степени размагничивани  дроссел  ( Ф(, ) и определ етс  следующим соотношением: W (2B,5-S -Ф, ) У где и - амплитуда положительной полуволны напр жени , Фп - величина подмагничивающего сердечника магнитного пото ка. Подмагничиваение первого дроссел  ведет к сокращению длительности его перемагничивани  и соответственно к сокращению длительности t открытого состо ни  транзистора 6. Таким образом, процесс входа второго дроссел  в зону прорези индуктора ДПР и выход из нее дроссел  первого сопровождаетс  по влением нулевых импульсов на выходе транзистора второго канала св зи и сокращением их длитель ности на выходе транзистора 6 первого канала св зи. Вид изменени  длительности нулевых имп пьсов на выходах транзисторов в функции угла поворота ротора представлен на фиг.2. За счет междуканальной св зи нулевые импульсы с коллектора транзистора второго канала св зи подаютс  на второй вход логического элеменаа И 10 и привод т к сокращению его выходного импульса по переднему фронту. Кроме того, выходные импульсы логического элемента И сокращаютс  и по заднему фронту за счет уменьшени  длительности импульсов на первом входе (транзисторе 6). Следовательно, поворот рото ра ВД в зоне перехода (подмагничивани  первого дроссел  и размагничивани  второго дроссел ) сопровождаетс  пропорциональным обоим процессам сокращением длительности выходных импульсов логического элемента И соответственно по заднему и переднему фронту (фиг.За). Дальнейший поворот ротора приводит к угловому положению при котором длительности единичных импульсов на первом входе и нулевых на втором входе логического элемента И сравниваютс , что соответствует сокращению длительности выходных импуль сов до нул  (фиг.36).Ничтожный последующий поворот ротора ведет к по влению единичных импульсов на выходе логического элемента И во втором канале св зи, так как у него единичные импульсы на первом входе будут превосходить нулевые на третьем входе. На втором входе присутствует единичный сигнал (фиг.Зв). Первым единичным им пульсом с выхода логического элемент И во втором канале св зи RS-триггер устанавливаетс  в единичное состо ние и по междуканальным св з м через логические элементы ИЛИ этим же импуль сом ЕЗ-триггер в первом канале св зи переключаетс  в нулевое состо ние, а в остальных каналах подтверждаетс  нулевое состо ние RS-триггеров. Синхронно с переключением триггеров выводитс  из рабочего состо ни  фаза А  корной обмотки и включаетс  в работ фаза В, развивающа  в этом положении ротора максимальный вращающий момент Под действием электромагнитного момента ротор ВД продолжает разворачиватьс  в прежнем направлении. Единич ные импульсы на выходе логического элемента И расшир ютс  по длительнос ти, и в момент полного выхода второго дроссел , и в момент полного выхо да второго дроссел  из зоны действи  магнитного пол  индуктора ДПР (соответственно , полного входа в эту зону первого дроссел .) их длительность ст становитс  равной полупериоду tp Т/2 переменного напр жени  повершенной частоты. Последующа  работа второго канала св зи аналогична описанному с учетом последовательности подключени  очередных каналов св зи дл  прин того направлени  вращени . Таким образом, непрерывно с частотой переменного напр жени  в каждом канале св зи на один из входов триггера подаютс  единичные импульсы , однозначно задающие его состо ние . На R-входе триггера единичные импульсы присутствуют при повороте ротора на угол, равный 360/тэл.град, когда соответствующий дроссель не насыщен, а на S-входе - при дальнейшем повороте ротора до полного угла. За счет пространственного сдвига дросселей на 360/тр геометрических градусов фазы А,В...М  корной обмотки поочередно перевод тс  в рабочее состо ние, обеспечива  непрерывное действие максимального вращающегос  момента на ротор. ВД разгон етс  и при достижении электромагнитного равновеси  в ЭМ начинает вращатьс  с посто нной частотой. При вращении ротора ВД из исходного положени  в направлении, обратном рассмотренному, процессы в устройстве будут отличатьс  от описанных лишь тем, что, например, с первым каналом св зи будет взаимодействовать следующий по направлению вращени  канал св зи. Работа ВД рассмотрена без учета вли ни  дополнительно введенных резисторов в каждый канал св зи. Механизм действи  введенной резистивной св зи рассмотрим на примере функционировани  первого канала св зи. В процессе работы первого канала св зи сигнал на инверсном выходе RSтриггера 12 принимает два значени  нулевое и единичное. При нулевом сигнале резистор 8 оказываетс  подключенным параллельно резистору 7 и шунтирует его. Резистор 7 выбираетс  низкоомным и в зашунтированном состо нии практически не вносит изменений в работу транзистора б и дроссел  первого канала, В случае единичного сигнала резисторы 7 и 8 выполн ют роль делител  напр жени  и существенно вли ют на процесс перемагничивани  дроссел  первого канала. Положительна  полуволна напр жени  на обмотке дройсел  первого канала возрастает по амплитуде на на величину (dUjj-,) падени  напр жени  на резисторе 7. Длительность перемагничивани  первого дроссел  и длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 6 сокращаетс . o;itr-((. При вращении ВД характер действи  резистивной св зи нагл дно рассматривать по дкагр&мме на-фиг.4. Пусть ротор ВД начинает движение из прин того ранее исходного положени , длительность единичных импульсов на первом входе логического элемента И 10 измен етс  по кр. С«), так как йЗ-триггер 12 находитс  в единичном состо нии по пр мому выходу. Длительность нулевых импульсов на втором входе логического элемента И измен етс  по кривой Т (tl ci:) ввиду фиксации всех остальных триггеров устройства в нулевом состо нии по пр мому выходу. Разность между длительност ми (f -ь равна длительности импульсов на выхо де логического элемента И и R-входе триггера. В положении ротора Ч , когда разность становитс  нулевой (импульсы отрицательной длительности не существуют) по вл ютс  импульсы н выходе логического элемента И во вто ром канале св зи, длительность которых равна разности fj,). Первым же импульсом триггер во втором канале св зи переводитс  в нулевое состо  ние по инверсному выходу, а триггер 12 переключаетс  в единичное состо ние ло тому же выходу. За счет смены резистивных св зей длительность импульсов на выходе логического элемен та И второго канала св зи скачком увелк-иваетс  до величины(f а Теперь, чтобы совершить обратное переключение триггеров, ротор ВД необходимо развернуть в обратном направлении на угол лЧ , пропорциональный коэффициенту передачи резистивной св зи. Таким образом, за счет дополнительно введенных резисторов достигаетс  надежное однократное переключение триггеров и силовых элементов ВД даже при колебани х ротора ЭМ, не превышающих по амплитуде угол 4 . Данный ВД достаточно прост в исполнении, содержит минимум конструктивных деталей и небольшое количество полупроводниковых элементов, обладает широкой универсальностью. Без изменени  основы электронной схемы {вариацией числа однотипных каналов св зи) ВД может быть реализован с любым (четным и нечетным) числом фаз  корной обмэтки с нулевым или мостовым коммутатором в реверсивном или нереверсивном варианте. Наиболее рациональное построение реверсивного ВД с реверсом в цепи питани  электромагнитного индуктора. В электронном блоке ВД могут не примен тьс  крупногабаритные дискретные элементы (конденсаторы) и поэтому он .может быть полностью реализован в интегральном исполнении. В услови х серийного производства ВД с интегральными блоками ожидаетс  положительный экономический эффект при выпуске более 20 тыс. изделий в год, увеличивающийс  с ростом выпуска. ВД не только сочетает положительные свойства известных устройств, но также обладает новыми. За счет :зффективных между к анальных св зей. достигнута высока  помехозащищенность ВД. В устройстве периодически с высокой частотой (f ь;10 кГц) задаетс  состо ние всех логических элементов дл  любого положени  ротора . Поэтому практически на работу ВД не вли ют случайные помехи, имеющие место в любой промышленной сети питающего напр жени  и кратковременные перерывы в электроснабжении. Кро ме того, посредством дополнительно введенной в устройство резистивной св зи обеспечено однократное экономичное переключение силовых элементов ВД даже при воздействии на ротор возмущающих моментов. Сочетание высокой помехозащищенности с экономичной работой силовых элементов гарантирует повышенную надежность работы ВД.

±ш--5-j .W

i. т

;XXL/.tf

У61

2лТ ГВ 3а°

Фuг.

Claims (2)

1. ВЕНТИЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, содержащий статор с m-фазной якорной обмоткой, коммутатор с бесконтактными ключами, служащими для подключения фаз обмотки к источнику постоянного напряжения, датчик положения ротора с m чувствительными элементами типа дроссель насыщения,' преобразователь постоянного напряжения в переменное и m-канальное логическое устройство, подключенное между выходами датчика и входами коммутатора каждый канал которого состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером инвертора, подключенного по цепи входа к коллектору транзистора, и RS-триггера с логическими элементами на R,S-входах, дроссель насыщения подключен параллельно входу транзистора, прямой выход триггера соединен‘с входом клю ча коммутатора и дополнительно вход транзистора - с выходом преобразователя напряжения через резистор, о тличающийся тем, что, с целью повышения надежности и расширения области применения, он снабжен логическими элементами и и ИЛИ с (m-Ι) входами, на S-входе триггера подключен логический элемент И с тремя входами, первый вход которого подключен к выходу инвертора одного канала, а второй и третий соединены § соответственно с коллектором транзистора последующего и предыдущего каналов, на R-входе триггера подключен логический элемент ИЛИ с (ш-1) входами, соединенными с выходом трехвходового логического элемента И других каналов.

2. Двигатель по п.1, от л и чающийся тем, что в каждый канал логического устройства дополнительно введены два резистора, первый из которых подключен в цепь эмиттера транзистора, а второй- между эмиттером транзистора и инверсным выходом триггера.