Способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний
CONTROL METHOD OF SYNCHRONOUS MOTOR IN OSCILLATION MODE

Предполагаемое изобретение относится к электромашиностроению, машиностроению, измерительной, испытательной техники, трибологии.
Известны способы управления синхронным двигателем в режиме колебаний, при которых в одну из обмоток подается регулируемый по частоте и амплитуде переменный ток, а во вторую - регулируемый постоянный. Управление параметрами колебаний осуществляется амплитудой и частотой переменного тока, а также величиной постоянного тока. (Копейкин А.И., Малафеев С.И., Лыков А.Ю. Синхронный колебательный электропривод. Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств. Материалы Междунар. науч.-техн. конф . - М.: Информ. техника, 1993. - с. 117-120 / Копейкин А.И., Малафеев С.И. Способ управления синхронным двигателем в режиме колебаний. - Патент РФ №2025890. - Опубл. в БИ, 1994, №24)
Известные способы позволяют управлять параметрами механических колебаний, но не указывают, как можно увеличить диапазон частот и использование установленной мощности выбранного исполнительного синхронного двигателя.
Следовательно, недостатками известных способов являются ограниченные функциональные возможности и снижение использования установленной мощности выбранного исполнительного синхронного двигателя.
Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому по достигаемому результату является способ управления, при котором в электрической машине переменного тока с трехфазной обмоткой на статоре регулируемый источник постоянного тока подключен к одной из обмоток статора, выход последовательно соединенных фазосдвигающего звена и усилителя подключен к другой обмотке статора, а ротор электрической машины выполнен активным. (Копейкин А.И., Малафеев С.И. Электропривод колебательного движения. Патент РФ №2050687. - Опубл. в БИ, 1995, №35).
При реализации известного способа увеличивается КПД электропривода, надежность за счет работы в резонансной области.
Вместе с тем при использовании этого известного способа ограничены диапазон частот колебаний и возможность увеличения мощности колебательного движения.
Недостатками известного способа являются ограниченные функциональные возможности и недостаточное использование установленной трехфазной машины по мощности колебательного движения.
Цель предполагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение мощности колебательного движения синхронного двигателя.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электрической машиной переменного тока с трехфазной обмоткой статора регулируемый источник постоянного тока подключен к одной из обмоток статора, выход последовательно соединенных фазосдвигающего звена и усилителя подключен к другой обмотке статора, при этом вход фазосдвигающего звена соединен с третьей обмоткой статора, а ротор электрической машины выполнен активным, а в предполагаемом изобретении регулируемый источник постоянного тока подключают на две последовательно соединенные обмотки статора и амперметр, третью обмотку статора подключают на выход регулируемого источника переменного тока, состоящего из маломощного задающего устройства (низкочастотного генератора электрических колебаний) и усилителя мощности, изменяют величину постоянного тока или частоту колебаний задающего устройства до значений, при которых будет минимум тока в третьей обмотке статора.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предполагаемый способ включает следующие новые операции:
- соединяют последовательно две обмотки статора и подключают их на выход регулируемого источника постоянного тока;
- выполняют источник регулируемого переменного тока в виде двух блоков: маломощного низкочастотного задающего генератора электрических колебаний и усилителя мощности;
- ведут постоянный контроль величины переменного тока измерительным устройством;
- поддерживают значение переменного тока в третьей обмотке на экстремальном (минимальном) уровне;
- регулируют величину постоянного тока в двух последовательно соединенных обмотках статора до получения минимума переменного тока в третьей обмотке статора;
- регулируют частоту на выходе задающего низкочастотного генератора 2 до минимума тока в обмотке 8;
- осуществляют комбинированное регулирование частоты на выходе ЗУ и величины постоянного тока в обмотках 7 и 9 до наступления минимума переменного тока в обмотке 8.
При реализации предполагаемого способа расширяются регулировочные и функциональные возможности, снижаются трудности технического исполнения, повышаются показатели надежности.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, электромашиностроения, электропривода.
Операции:
- последовательное соединение двух обмоток статора и подключение их к регулируемому источнику постоянного тока;
- контроль величины постоянного тока в последовательно соединенных обмотках;
- контроль величины переменного тока в третьей обмотке статора;
- регулирование постоянного тока в двух последовательно соединенных обмотках до получения минимума тока в третьей обмотке статора;
- установка максимального значения частоты механических колебаний постоянным током;
- двухканальное управление параметрами задающего устройства 2 (частотой) и величиной постоянного тока в обмотках 7 и 9 для достижения минимума тока в обмотке 8.
В известных способах аналогичного назначения не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Предполагаемый способ показан на фиг.1,  на которой:
1 - регулируемый генератор переменного тока, состоящий из задающего устройства (ЗУ) 2 (маломощный низкочастотный генератор электрических колебаний) и усилителя мощности (УМ) 3; 4 - регулируемый источник постоянного тока вместе с его измерителем (амперметром) 10; 5 - измеритель (амперметр) переменного тока на выходе УМ;. 6 - бесконтактную трехфазную машину (синхронный исполнительный двигатель (СИД) с активным ротором 11 (с постоянными магнитами); 7, 8, 9 - обмотки (фазы) статора СИД.
Обмотки двигателя 7 и 9, соединенные последовательно, подключают к регулируемому источнику постоянного тока 4 через амперметр 10, создавая эффект «электрической» пружины, т.е. двигатель приобретает упругие свойства. Обмотку 8 СИД через амперметр 5 подключают на выход усилителя мощности 3, на вход которого поступают электрические колебания необходимой величины и частоты с задающего устройства (генератора малой мощности).
о
Постоянные магниты ротора 11 создают магнитное поле в зазоре синхронного двигателя с рабочим потоком Ф. При подключении обмоток 7 и 9 к регулируемому источнику постоянного тока 4 создается магнитное поле статора. При взаимодействии этих полей ротор установится в нулевое (исходное) положение, соответствующее минимуму электромагнитной энергии.
m
вых
нгк
Подключением обмотки статора 8 на выход усилителя мощности 3 создается управляющий магнитный поток, под действием которого ротор совершает колебания относительно исходной (нулевой) точки. При этом частота колебаний определяется частотой задающего устройства 2. Амплитуда колебаний θ зависит от параметров двигателя, величины переменного тока в обмотке 8 и жесткости «электрической» пружины. Для максимального использования установленной мощности синхронного двигателя при любых изменениях параметра двигателя, внешних воздействий, нагрузки необходима работа в резонансной области, где амплитуда колебаний ротора максимальна, а ток потребления по цепи управляющей обмотки 8 минимален. С целью выявления и контроля этого режима установлен измеритель 5 (амперметр) в цепи обмотки 8, минимум показаний которого достигается частотой электрического сигнала низкочастотного генератора колебаний (НГК), регулировкой жесткости «электрической» пружины величиной постоянного тока в обмотках 7 и 9 двигателя либо комбинированное регулирование по обоим каналам. Требуемые значения частоты ω и амплитуды колебаний задают НГК и по градуировочным зависимостям амплитуды от величины выходного напряжения U.  при фиксированных жесткостях, которые предварительно снимаются на конкретной экспериментальной установке.
С целью аналитического подтверждения новизны и преимуществ способа перед известными техническими решениями рассмотрим физическую сущность управления механическими колебаниями.
Известно, что собственная частота ω угловых незатухающих колебаний систем с восстанавливающей силой определяется уравнением (Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. - М.: Наука, Физматлит, 1980. - с. 26-27)
где С - обобщенный коэффициент жесткости,  - момент инерции колеблющейся механической части
Применительно к используемому в данном способе исполнительному синхронному двигателю (СД) формулу (1) следует интерпретировать как
э
m
ф
где С - электромагнитная жесткость СД; М - максимальный электромагнитный момент двигателя; К - коэффициент формы его угловой характеристики.
m
ф
Из (2) следует, что диапазон частот, в котором можно применять заявляемый способ, зависит от величины М при известных других параметрах (К, ), определяемых конструкцией СД. В свою очередь из теории электромеханического преобразования энергии (Ивоботенко Б.А, Рубцов В.П., Садовский Л.А., Цаценкин В.К., Чиликин М.Г. Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, под общ. Ред. М.Г. Чиликина - М., Энергия, 1971. - с. 56-58) известно, что
p
p
m
7,9
7,9
где D, L - диаметр и длина ротора; В - максимальная индукция, создаваемая ротором в зазоре; W - число витков, последовательно соединенных обмоток 7 и 9; I - постоянный ток в обмотках 7 и 9.
7,9
m
7,9
8
8
Следовательно, при допустимом по нагреву токе I максимальный электромагнитный момент М в заявляемом способе будет больше, нежели при питании постоянным током только одной обмотки, т.к. W>W (W - число витков одной обмотки 8 статора).
7,9
Кроме того, обмотки 7 и 9 находятся в одинаковом температурном режиме, обтекаются одним и тем же постоянным током I, т.е. равнозначны по вкладу в общую электромагнитную жесткость и соответственно в диапазон частот угловых колебаний и электромагнитное усилие.
Как показано в работе (Копейкин А.А. Исследование, моделирование и идентификация механических подсистем электроприводов: метод незатухающих колебаний. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Владимир, 2007 - с. 175-178) наибольшее использование по мощности выбранного исполнительного СД достигается в резонансной области ввиду гармонического характера движения и где максимальная динамическая мощность, а также ее среднее значение соответственно равны
m
где W, f соответственно угловая частота и число механических колебаний в одну секунду, связанных известным соотношением W=2 πf; θ - амплитуда колебаний.
m
Из (4) следует, что при последовательном соединении обмоток статора 7 и 9 и подключении их на регулируемый источник постоянного тока ввиду возрастания электромагнитного момента М и W существенно увеличивается максимальная динамическая и средняя мощности, пропорциональные кубу частоты. А поскольку работа происходит в резонансной области, то достигается и большее использование (больший КПД) установленной мощности выбранного СД. А из-за создания «электрической» пружины двумя обмотками статора 7 и 9 увеличивается диапазон частот, в котором обеспечивается резонанс. Т.е. можно управлять резонансом по цепям постоянного и переменного тока при вариации различных воздействий на колебательную систему. Именно с этих позиций целесообразно использование регулируемого генератора переменного тока в виде двух блоков. В этом случае управление по частоте и амплитуде колебаний ведется маломощным низкочастотным генератором электрических сигналов, не затрагивая силовых цепей усилителя мощности УМ. Такое исполнение повышает надежность генератора переменного тока, упрощает его техническую реализацию из-за открытой архитектуры, т.е. модульности, и вместе с увеличением жесткости «электрической» пружины последовательным соединением обмоток 7 и 9, расширяет функциональные возможности способа. Следовательно, заявляемый способ обеспечивает достижение поставленной цели.