SU785929A1 - Вентильный электродвигатель - Google Patents

Description

t

Изобретение относитс  к специаль ным электрическим машинам и может быть использовано в реверсивных электроприводах малой мощности.

Известны вентильные электродвига- 5 тели ВД , состо щие из электрической машины с вращающимс  индуктором датчика положени  ротора с чувствительными элементами типа дроссель насыщени , бесконтактного коммута- Ю тора,- подключающего секции  корной обмотки машины к источнику питани  в функции сигналов датчика положени  ротора и преобразовател  посто нного напр жени  в переменное высокой 5 частоты. Управление транзисторами коммутатора производитс  непосредственно выпр мленными с-чгналамУ1 датчикаположени  ротора, без промежуточного их усилени  и преобразовани . 20 Транзисторы подключают секции  корной обмотки к источнику посто нного тока Ш.

Такой ВД имеет существенный не- 25 достаток: при вращении ротора электродвигател  дроссели датчика положени  ротора периодически переход т из ненасыщенного состо ни  в насыщенное и наоборот, I процессе 30

перехода дроссел  насыщени  из одного состо ни  в другое соответствующий транзистор коммутатора находитс  в энергетически напр женном усилительном режиме работы с большим тепловыделением . Это ведет к увеличению массы и габаритов коммутатора, а также снижает надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  ВД, содержащий роуор, статор с обмоткой  кор , кажда  секци   корной обмотки которой получает питание от отдельного ключа, управл емого с выхода формировател  сигналов датчика положени  ротора. Количество формирователей равно числу чувствительных элементов типа дроссель насьащени  датчика положени  ротора. Формирователь представл ет собой асинхронный RS-триггер, на первый вход которого подаютс  импульсы с дроссел  насы- щени , предварительно усиленные и инвертированные, на второй вход через элемент совпадени  и подаютс  выходные сигналы двух последующих (по пор дку переключени ) триггеров. Асинхронный триггер в каждом канале .управлени  обеспечивает надежную и .экономичную работу усилител  по принципу включен-выключен с практически м1новенным переходом из одного состо ни  в другое. Однако построение схемы управлени  триггерами выполнен неэффективно 2J. Применение данного устройства в реверсивном электроприводе затруднен так как в момент смены направлени  вращени  ротора электродвигател  нарушаетс  логика вьаделени  сигнала на BtopOM входе RS-триггера (в этот момент времени последующий триггер по очередности включени  становитс  предыдущим). Кроме того, возможно такое исходное положение ротора электродвигател  перед пуском, когда импульсы подаютс  на вход только одного RS-триггера. Остальные триггеры уста навливаютс  в произвольное устойчивое состо ние и поэтому могут сформировать на входах усилителей ложную комбинацию управл ющих сигналов, ко тора  ведет к неверному подключению секций  корной обмотки. По этой при чине ротор электродвигателей начнет поворачиватьс  в направлении, обратном заданному или. вообще не ронетс  Цель изобретени  - расширение об ласти применени  за счет обеспечени  нгщежного пуска ВД и использова ние его как в реверсивном, так и нереверсивном приводе. Цель достигаетс  за счет дополне ни  ВД блоком из трех схем временно задержки, подключенных последовател но друг к ЛРУгу и синхронизированных с положительной полуволной переменного напр жени  на обмотках дросселей , при этом выход первой временно задержки подключен ко. второму входу первой схемы совпадени , а выход третьей временной задержки подключе ко второму входу второй схемы совпа дени  в каждом канале формировани  сигналов датчика положени  ротора. На фиг. 1 представлена принципиальна  схема ВД} на фиг. 2 - диаг paMNBj напр жений на основных элемен тах схемы. ВД содержит источник 1 посто нно го напр жени , преобразователь 2 постб нного напр жени  в переменное высокой частоты (около 20 кГц), датчик 3 положени  ротора, состо щий из диэлектрической немагнитной втулки 4 и жестко сочлененного с BaioM электродвигател  посто нного магнита 5 секторообразной формы. Втулка 4 содержит чувствительные элементы 6-3 типа дроссель насыщени , резисторы 9-12, транзисторы 13 и 14 проводимости п-р-п, элемент НЕ 15 и 1б, двухвходовые элементы 17-20 совпадени  2И-НЕ RS-триггеры 21-и 22 с инверсными входами, однотипные формирователи 23-25 выходных сигналов дросселей насыщени ; бесконтактные ключи 26-28 коммутатора 29, электродвигатель 30 с трехсекционной лучевой  корной обмоткой А, В,С и вращающимс  электродвигателем 31, однотипные схемы 32-34 временных задержек. ВД выполнен с трехсекционной лучевой  корной обмоткой А,В,С, подключаемой к источнику 1 питани  с помощью бесконтактных ключей 26-28 коммутатора 29 в функции углового положени  ротора. Дл  этого с валом электродвигател  30 сочленен датчик 3 положени  ротора, который  вл етс  индикатором углового положени  ротора с электрическими ч ыходными сигналами. Конструктивно он туэедставл ет собой втулку 4, в прорез х которой расположены дроссели насыщени  6-8. Прорези на втулке расположены на дуге длиной /Э60/р- 560/р п)геометрическйх градусов , через 2 60/рп геометрических градусов, где р - число пар полюсов электродвигател ; rt - число секций  корной обмотки.Внутри втулки вращаетс  посто нный магнит 5, жескто сочлененный с ротором электродвигател  31. Посто нный магнит имеет форму сектора щириной ЗбО/рп геометрических градусов . Число секторов посто нного магнита равно числу пар полюсов электродвигател . Втулка зафиксирована относительно статора электродвигател . При вращении ротора электродвигател  магнитный поток посто нного магнита 5 поочередно пронизывает сердечники дросселей 6-8, насыща  их. Величина вольтсекундных площадок полуволн переменного напр жени  на обмотке дроссел  зависит от степени насыщени  его сердечника. В формировател х 23-25 осуществл етс  преобразование вольтсекундных площадок напр жени  в однопол рные импульсы, по вл ющиес  при насыщении соответствующих дросселей 6-8. В состав формировател  входит транзистор 14 проводимости п-р-п,параллельно переходу база-эмитте э которого подключена обмотка дроссел  8. Транзистор выполн ет функции индикатора напр жени  положительной пол рности на обмотке дроссел  и дополнительно своим переходом базаэмиттер ограничивает рабочее напр .жение дроссел  на уровне (0,8-1,0) в . Коллекторный вывод транзистора подключен на первые входы элементов совпадени  18 и 20: ко входу элемента совпадени 18 подключен непосредственно , а ко входу элемента совпадени  20 - через элемент НЕ 16. На вторые .входы элементов совпадени  подключены выходы блока временных задержек 32 и 34. Импульсами с выхода элементов совпадени  18 и 20 управл етс  асинхронный RS-тригтер 22, который, в свою очередь, включает или выключает бесконтактный

ключ 28 коммутатора 29, непосредственно или через усилительно-логические элементы (изображены на фиг.1 пунктирной линией). Устройство содержит три однотипных формировател  по одному на каждый дроссель насыщени  и бесконтактный ключ.

БЛОК схем временных задержек 32-34.формирует три пр моугольных импульса, следующих один за другим, первый из .которых, с выхода схемы задержки 32, синфазен с передним фронтом положительной полуволны переменного напр жени  на обмотке дроселей . Дл  этого выход первой схемы временной задержки 32 подключен ко входу второй временной задержки 33, выход второй - ко входу третьей 34, а переменное напр жение со второго выхода преобразовател  2 подаетс  на вход первой из схем временной задержки . Кроме того, выход первой схмы временной задержки подключен ко вторым входам всех элементов совпадени , имеюцщх непосредственную св зь с транзисторами в формировател х , а выход третьей схемы временной задержки подключен ко вторым входам всех элеме тов совпадени , имеющим св зь с теми же транзисторами через элемент НВ.

Схема временной задержки может быть выполнена, например, на одном транзисторе проводимости п-р-п, включенном по схеме с общим эмиттером и смещенном в открытое состо ние по цепи базы. К базовому выводу транзистора подключен врем задающий конденсатор. Второй вывод конденсатора  вл етс  входом временной задержки, а выходом ее : служит коллекторный вывод транзистора . Диод на входе первой задержки служит дл  закорачивани  входа при действии отрицательной ПО.ПУВОЛНЫ переменного напр жени .

Преобразователь 2 посто нного напр жени  в переменное высокой частоты выполнен по известной схеме Ройера и необходим дл  питани  дросселей насыщени  датчика положени  ротора, синхронизации работы схем временных задержек с положительной полуволной переменного напр жени  н обмотках дросселей, а также дл  питани  схемы формировател  и коммутатора пониженным посто нным напр жением с целью снижени  потерь мощности . Дл  этого к обмоткам выходного трансформатора подключены выпр мительные диоды и фильтрующий конденсатор.

Работа ВД происходит следующим образом.

В исходном состо нии ротор электродвигател  31 занимает произвольное положение. Сочлененный с ним посто нньпЧ магнит 5 датчика 3

положени  ротора насыщает один или два дроссел . Пусть, например, насы щек дроссель 7. При подаче литани  от источника 1 посто нного напр  жени  запускаетс  преобразователь 2, формирующий на обмотках трансформатора переменное напр жение пр моугольной формы. Переменное напр жение с выхода преобразовател  подаетс  через резисторы на вход блока временных задержек и на дроссели 6-8.

0 Под действием переменного напр жени  на выходе схемы временной задержки 33 формируютс  единичные импульсы, .передний фронт которых совпадает по фазе с передним фронтом положитель5 ной полуволны переменного напр жени  а обмотке дросселей. Длительность импульса определ етс  параметрами RS-цепочки схемы временной задержки 32. и составл ет около 1/6 периода частоты преобразовател  2. На выхо0 дах второй и третьей схем 33 и 34 временной задержек также формируютс  единичные импульсы, которые следуют друг за другом. Длительность второго импульса составл ет примерно 1/8

5 периода частоты преобразовател , а длительность третьего - 1/6 периода. Единичные импульсы с выхода первой и третьей схем задержек подаютс  на вторые входы элеменуов 17 и 19 совпа0 дени  соответственно. В исходном состо нии устройства дроссель 7 насыщен и сопротивление его обмотки мало. Переменное напр жение, подаваемое с выхода преобразовател  на

5 обмотку дроссел , падает на резисторе 9. Переход база-эмиттер транзистора 13 накоротко зашунтирован омическим сопротивлением насыщенного дроссел  7. Транзистор 13 надежно закрыт и единичный сигнал с его

0 коллекторного вывода подаетс  на первый вход элемента совпадени  17 и на вход элемента НЕ 15, с выхода которого нулевой сигнал подаетс  на первый вход элемента совпгадени 

5 19. Наличие нулевого сигнала на первом входечэлемента И-НЕ 19 обуславливает единичный сигнал на его выходе и соответственно на R входе триггера 21. В моменты совпадени 

0 единичных сигналов на входах элемента 17 на его выходе по вл ютс  нулевые импульсы, первый из которых устанавливает RS-хриггер 21 в единичное состо ние (на выходе f)

5 триггера по вл етс  единичный сигнал ) , Напр жение с выхода триггера непосредственно или через вспомогательные элементы открывает бесконтактный ключ 27 коммутатора 29. Бесконтактные ключи 26 и 23 закры0 ты, так как дроссели 6 и 8 кенасыщены и триггеры в формировател х 23 и 25 наход тс  в нулевом состо нии . Через открытый ключ 27 к

5 секции  корной обмотки прикладываетс  напр жение от источника 1. По секции начинает протекать ток, при взаимодействии которого с полем индуктора 31 возникает вращающий момент. Ротор электродвигател  приходит в движение. При ротора электромагнитное поле посто нного магнита датчика положени  ротора начинает пронизывать сердечник дроссел  8, подмагничива  его.

На первом этапе насыщени  дроссел  8 не происходит, так как величина подмагничивающего пол  не превосходит разности между потоком насыщени  сердечника Фд и амплитуным значением потока в сердечнике, вызванного действием приложенного к обмотке- переменного напр жени  в положительный полупериод. Индуктивное сопротивление дроссел  8 велико и почти все переменное напр жение с выхода преобразовател  прикладываетс  к переходу база-эмиттер транзистора 14. Транзистор 14 в такт с положительной полуволной переменного напр жени  открываетс , формиру  нулевые импульсы на коллекторном выводе. Нулевые импульсы поступают на входы элемента совпадени  18 и элемента НЕ 16, на выходе последнег они станов тс  единичными. Единичные импульсы на первом входе элемента И-НЕ 20 совпадают с единичными импульсами, поступаюпщми с выхода третьей схемы 34 временной задержки В моменты совпадени  единичных импульсов на выходе элемента 20 по вл ютс  нулевые импульсы, которые, присутству  на R входе триггера 22, надежно удерживают его в нулевом состо нии. В нулевое состо ние триггер 22 совместно с триггером ,формировател  23 переходит сразу поле подключени  устройства к источнику питани  1. По мере дальнейшего поворота ротора электродвигател  величина магнитного потока посто нного магнита возрастает настолько, что дроссель 8 начинает насыщатьс  в конце полупериода положительной пЬлуволны переменного напр жени , В момент насыщени  дроссел  8 транзистбр 14 закрываетс , остава сь в этом состо нии в течение действи  отрицательной полуволны напр жени . Пропорционально моменту насьвцени  др(ссел  8 сокращаетс  длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 14 и, соответственно, единичных на выходе элемента НЕ 16. Наступает момент, когда длительность единичных импульсов на выходе элемента НЕ станов тс  такой, что они уже не совпадают по фазе с импульсами с выхода третьей схемы задержки и на выходе элемента совпадени  20 устанавливаетс  посто нный единичный сигнал. Такой же сигнал находитс  на выходе элемента совпаден

18, и значит на обоих RS входах триггера 22 присутствуют единичные сигналы и он сохран ет свое прежнее состо ние. Дальнейший поворот ротора электродвигател  ведет к еще большему подмагничиванию дроссел  8 и соответственному сокращению длительности нулевых импульсов транзистора 14 и единичных импульсов элемента НЕ. Наконец , наступает момент времени, когда длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 14 становитс  менше длительности импульсов первой схемы временной задержки, и единичные импульсы на входах элемента 18 начинают совпадать во времени. На выходе элемента совпадени  18 формируютс  нулевые импульсы, первой из которых, воздейству  на S вход триггера 22, переводит его в единичное состо ние.. Напр жением с выхода триггера открываетс  бесконтактный ключ 28 и по секции в  корной обмотки начинает протекать ток, создающий вращающий момент, Ротор .двигател  поворачиваетс  на больший угол и это ведет к еще большему насыщению дроссел  8 и увеличению длительности нулевых импульсов на входе триггера 22. При полном насыще НИИ дроссел  8 их длительность становитс  равной длительности импульса первой схемы задержки. После переключени  триггера 22 поворот ротора электродвигател  ведет к тому, что поток посто нного магнита, пронизывающий дроссель 7, начинает уменьшатьс  по величине. Когда магнитный поток снизитс  до величины, меньшей потока насьвдени  дроссел , последний начинает перемегничиватьс  под действием переменного напр жени , приложенного к его обмотке. Во врегл  перемагничивани  дроссел  его индуктивное сопротивление велико и переменное напр жение с выхода преобразовател  прикладываетс  ко входу транзистора 13. Транзистор открываетс  в поло штельный полупериод переменного напр жени , формиру  на коллекторном выводе нулевые импульсы Передний фронт нулевых импульсов совпадает с передним фронтом положительной полуволны переменного .напр  хсени . На величину длительности . нулевых иш1ульсов сокращаетс  длительность единичных на выходе элемента совпадени  17. Когда нулевые импульсы сравн ютс  с импульсами первой схемы вре1 1еккой задержки по длительности , на выходе элемента совпадени  17 исчезнут нулевые импульсы , так как с этого момента ка входах элемента И-НЕ 17 будет присутствовать нулевой импульс: вначале поочередно, а затем н одновременно. На R и S входах триггера 21 наход тс  теперь единичные сигналы и он сохран ет свое предыдущее состо ние.

Ротор электродвигател  непрерывно поворачиваетс  под действием вращающегос  момента; магнитный поток посто нного ма нита, подмагничивающий сердечник дроссел  7, ослабл етс , длительность нулевых импульсов на выходе транзистора 13 увеличиваетс . Когда длительность нулевых импульсов возрастает настолько, что превзойдет сумму времени задержки первой и второй схем задержек, на входах элемента 19 будут совпадать единичные сигналы , поступающие с выхода элемента НЕ 15 и третьей схемы временной задержки . В моменты совпадени  единичных импульсов на выходе элемента 19 по вл ютс  нулевые импульсы, первый из которых переключает триггер 21 в нулевое состо ние. Бесконтактный . ключ 27 закрываетс , и секци  В обесточиваетс . Электродвигатель продолжает врахцатьс , так как секци  С обмотки находитс  под током. Последующий поворот ротора электродвигател  ведет к подмагничиванию дроссел  6 датчика положени  ротора и переключению триггера с соответствующим переводом бесконтактного ключа , 26 в открытое состо ние. Далее выходит из насыщенного состо ни  дроссель 8 и закрываетс  бесконтактный ключ 28. Затем вновь подмагничиваетс  дроссель 7 и включает бесконтактный ключ 27. В момент закрыти  бесконтактного ключа 26, при выходе дроссел  6 из насыщенного состо ни  цикл переключени  секций  корной обмотки заканчиваетс . В дальнейшем циклы повтор ютс  с частотой вращени  пол  индуктора электродвигател . Электродвигатель разгон етс  до заданной скорости вращени , величина которой может регулироватьс  напр жением источника питани  1.

ВД может быть использован в реверсивном варианте без изменени  его принципиальной схемы. В этом случае устанавливаетс  реверсор в цепи питани  обмотки индуктора электрическоймашины. При переключении реверсора измен етс  направление протекани  тока в обмотке индуктора и реверсируетс  ВД.

Наличие блока из трех схем временных задержек позвол ет, во-первых реализовать четкую работу ка)хдого бе :контактного ключа коммутатора независимо от исходного положени  ротора электродвигател  и направлени  его вращени , и, поэтому осуществить надежный запуск электродвигател , во-вторых, обеспечить

зону нечувствительности в очередности следовани  импульсов на R и S входы каждого триггера по мере насыщени  соответствующего дроссел  датчика положени  ротора. Это ведет к повышению надежности за счет исключени  многократного переключени  триггера и бесконтактного ключа в процессе вращени  ротора электродвигател , особенно при наличии вибрации последнего.

o

Формула

изобретени 

Вентильный электродвигатель, со5 держащий ротор, статор с обмоткой  кор , датчик положени  ротора с п чувствительными элементами типа„дроссель насыщени , коммутатор с п бесконтактными ключами, служащими дл  подключени  секций  корной об0 мотки к источнику посто нного напр жени  в функции углового положени  ротора, формировател  каждого из выходных сигналов датчика положени  ротора, включагацего в себ  усилитель

5 и RS-триггер с двухвходовыми элементами совпадени  на R и S входах , на первый вход одного из которых выход усилител  подключен непосредственно , а на первый вход другого D через элемент НЕ и преобразователь посто нного напр жени  в переменное высокой частоты, выход которого подключен к чувствительным элементам датчика, отличающийс  тем,

5 что, с целью расширени  области применени  путем создани  возможности использовани  его как в нереверсивном , так и реверсивном приводе, в устройство дополнительно введен блок из трех последовательно соединенных

0 схем временных задержек, управл юща  цепь первой из которых подключена к тому же выходу преобразовател , что и чувствительные элементы, при этом выход первой схемы временной

5 задержки подключен ко второму входу первого элемента совпадени , а выход третьей okeMbi временной задержки подключен ко вторюму входу второго элемента совпадени  в каждом форми0 рователе.

Источники информации, прин  ые во внимание при экспертизе

1.Двигатели посто нного тока с полупроводниковыми коммутаторами

5 под ред. Е.И.Овчинникова, Л., Наука, 1972, с. 116.

2.Патент Японии 49-21846, кл. 55 С 2, 1974 (прототип).

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Вентильный электродвигатель, содержащий ротор, статор с обмоткой якоря, датчик положения ротора с η чувствительными’ элементами типа.дроссель насыщения, коммутатор с η бесконтактными ключами, служащими для подключения секций: якорной обмотки к источнику постоянного напряжения в функции углового положения ротора, формирователя каждого из выходных сигналов датчика положения ротора, включающего в себя усилитель и RS-триггер с двухвходовыми элементами совпадения на R и S входах, на первый вход одного из которых выход усилителя подключен непосредственно, а на первый вход другого через элемент НЕ и преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты, выход которого подключен к чувствительным элементам датчика, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения путем создания возможности использования его как в нереверсивном, так и реверсивном приводе, в устройство дополнительно введен блок иэ трех последовательно соединенных схем временных задержек, управляющая цепь первой из которых подключена к тому же выходу преобразователя, что и чувствительные элементы, при этом выход первой схемы временной задержки подключен ко второму входу первого элемента совпадения, а выход третьей окемы временной задержки подключен ко второму входу второго элемента совпадения в каждом формирователе.