ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
AC ELECTRONIC MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, в электроприводах механизмов стоматологического оборудования.
Известен управляемый вентильный электродвигатель, содержащий электромеханический преобразователь с индуктором на постоянных магнитах, первые выводы трех секций якорной обмотки которого объединены и соединены с общей шиной вентильного электродвигателя, двухполупериодный преобразователь частоты, выходы которого соединены со вторыми выводами секций якорной обмотки, логический блок управления, выходами подключенный к управляющим входам двухполупериодного преобразователя частоты, три компаратора с двумя входами каждый, выходы которых подключены соответственно к входам логического блока управления. Вентильный электродвигатель содержит также три интегрирующие цепи. Первый вход i-го компаратора соединен с вторым выводом i-й секции якорной обмотки, а выход с входом (i-1)-й интегрирующей цепи. Выход i-й интегрирующей цепи подключен к второму входу i-го компаратора, причем указанное подключение компараторов и интегрирующих цепей образует кольцевое соединение, SU 1774455.
Недостаток указанного вентильного электродвигателя заключается в наличии смещения на выходах интегрирующих цепей относительно общего вывода, когда двигатель работает в режиме стабилизации частоты вращения, что приводит к разному порогу срабатывания компараторов от ЭДС вращения и, как следствие, к разным углам опережения включения секций при положительном и отрицательном участках ЭДС вращения. Несимметричная форма напряжения на секциях обмотки якоря приводит к появлению дополнительных пульсаций вращающего момента, увеличению детонации и, как следствие, к снижению эксплуатационных качеств вентильного электродвигателя.
Повышение эксплуатационных качеств двигателя, в частности увеличение его ресурса за счет снижения пульсаций вращающего момента, достигается вентильным электродвигателем согласно RU 2091978 С1.
Этот электродвигатель содержит электромеханический преобразователь с обмоткой, состоящей из трех секций и индуктором на постоянных магнитах. Выводы секций обмотки объединены и соединены с общей шиной. Устройство включает инвертор напряжения, блок управления, выполненный на логических элементах ИЛИ и И, и три компаратора; запуск электродвигателя осуществляется с помощью интегрируемых цепей; инвертор выполнен в виде трехфазного моста на транзисторах. Выводы обмоток электромеханического преобразователя соединены с соответствующими выходами инвертора и входами, соответственно, первого, второго и третьего компараторов, электродвигатель подключен к двухполярному источнику питания, RU 2091978 С1.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.
В устройстве-прототипе блок управления выполнен на логических элементах, которые электрически связаны с элементами инвертора. Логические элементы имеют относительно небольшой диапазон колебаний питающего напряжения, которое подается на силовой вход инвертора. При превышении этого диапазона, например, вследствие неисправности питающего устройства, ограничителей напряжения или самого инвертора блок управления выходит из строя.
Следует также указать, что мощные силовые токи в обмотке электромеханического преобразователя оказывают негативное влияние через инвертор на блок управления, что обусловливает неустойчивую работу электродвигателя (аварийный режим).
Указанные выше недостатки усугубляются при повышении необходимой мощности вентильного электродвигателя, что ограничивает возможности применения устройства-прототипа, использовании его в маломощных электрических приводах, какими являются приводы лентопротяжных механизмов магнитофонов.
Кроме того, серьезным недостатком прототипа является то обстоятельство, что запуск электродвигателя осуществляется с использованием специальных интегрирующих цепей. Неизбежный разброс параметров этих цепей обусловливает наличие некоторого смещения на их выходах относительно общего вывода в режиме стабилизации частоты вращения, что ведет к появлению дополнительных пульсаций вращающего момента электродвигателя. В устройстве-прототипе задача снижения этих пульсаций в достаточной мере не решается (из-за указанного выше разброса параметров интегрирующих цепей), хотя пульсации в RU 2091978 несколько меньше, чем в SU 1774455.
Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости и надежности работы вентильного электродвигателя, а также снижение пульсаций вращающего момента электродвигателя.
Согласно изобретению вентильный электродвигатель, подключенный к силовому источнику питания, содержащий электромеханический преобразователь с обмоткой из трех секций и индуктором на постоянных магнитах, инвертор, блок управления, первый, второй и третий компараторы, при этом выводы секций обмотки электромеханического преобразователя соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами инвертора и первыми входами, соответственно, первого, второго и третьего компараторов, дополнительно содержит блок запуска электродвигателя, причем блок управления содержит шесть оптронных излучателей с оптическими выходами, инвертор содержит шесть оптронных приемников, оптические входы которых соединены посредством оптической связи с соответствующими оптическими выходами оптронных излучателей блока управления, выходы первого, второго и третьего компараторов соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока управления, силовой седьмой вход инвертора соединен с силовым источником питания и со входом блока запуска электродвигателя, первый выход которого соединен с третьим входом второго компаратора, второй его выход соединен с третьим входом третьего компаратора, при этом вторые входы всех компараторов соединены между собой.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
Благодаря реализации отличительных признаков настоящего изобретения достигаются новые свойства объекта, весьма важные для его практического использования. Вследствие того, что блок управления содержит оптронные излучатели, а инвертор содержит оптронные приемники, оптические входы которых соединены посредством оптической связи с выходами оптронных излучателей и образуют таким образом с оптронными излучателями оптронную пару, исключается электрическая связь инвертора и блока управления. В результате колебания питающего напряжения неисправности питающего устройства или самого инвертора не оказывают на блок управления воздействия, которое могло бы вывести его из строя; кроме того, исключается влияние мощных силовых токов в обмотке электромеханического преобразователя через инвертор на блок управления, что значительно повышает устойчивость работы электродвигателя и, практически, предотвращает возникновение аварийного режима; таким образом, становится возможным существенное повышение мощности электродвигателя до значений, необходимых для его использования, в частности, в электроприводах механизмов стоматологического оборудования.
Наконец, наличие блока запуска электродвигателя позволяет исключить интегрирующие цепи, неизбежно имеющие неодинаковые собственные параметры, что является в прототипе причиной дополнительных пульсаций вращающего момента; снижение указанных пульсаций существенно улучшает эксплутационные свойства электродвигателя.
Указанные выше обстоятельства позволяют, по мнению заявителя, сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображено:
на фиг.1 - схема устройства;
на фиг.2 - принципиальная схема блока запуска электродвигателя.
Вентильный электродвигатель подключен к силовому источнику питания, в частности, управляемому импульсному стабилизатору (на чертеже условно не показан) и содержит электромеханический преобразователь 1 с обмоткой из трех секций 2, 3, 4. В данном примере эти секции включены по схеме "треугольник", но возможно их соединение по схеме "звезда". Индуктор 5 выполнен на постоянных магнитах. Устройство также содержит инвертор 6, блок 7 управления, первый 8, второй 9 и третий 10 компараторы; выводы секций обмотки электромеханического преобразователя соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим выходами инвертора 6 и первыми входами, соответственно, первого 8, второго 9 и третьего 10 компараторов; устройство содержит блок 11 запуска электродвигателя. Блок 7 управления содержит шесть оптронных излучателей 12, 13, 14, 15, 16, 17 с оптическими выходами, инвертор 6 содержит шесть оптронных приемников 18, 19, 20, 21, 22, 23 с ключами, оптические входы оптронных приемников соединены посредством оптической связи с соответствующими оптическими выходами оптронных излучателей 12, 13, 14, 15, 16, 17 блока 7 управления. Оптронные излучатели и оптронные приемники образуют оптически между собой связанные оптронные пары (оптроны). В конкретном примере использованы оптроны фирмы "COSMO" K1010D и полевые транзисторы IRL024N, которые играют роль управляемых ключей инвертора 6. Блок 11 запуска электродвигателя выполнен на базе операционного усилителя 24 (микросхема LM324N), биполярного транзистора 25 (ВС327-40), диодов 26,27 (1N4148), керамического конденсатора 28 (MDR104ZA, 0,1mF 100V Y5Y). Операционный усилитель 24 и диод 26 образуют триггер Шмитта с заданной петлей гистерезиса, с напряжением срабатывания 1 вольт и напряжением отпускания 0,1 вольт. Выходы первого 8, второго 9, и третьего 10 компараторов соединены, соответственно, с первым, вторым и третьим входами блока 7 управления, силовой седьмой вход инвертора 6 соединен с силовым источником питания и входом блока 11 запуска электродвигателя, первый выход которого соединен с третьим входом второго 9 компаратора; второй его выход соединен с третьим входом третьего 10 компаратора, при этом вторые входы всех компараторов соединены между собой.
Работа устройства осуществляется следующим образом. При выключенном вентильном электродвигателе напряжение от силового источника питания равно нулю. При этом на вход блока 11 запуска электродвигателя (инверсный вход триггера Шмитта) поступает нулевое напряжение от силового источника питания; напряжение с выхода триггера Шмитта в виде логической единицы через диод 27 и затем первый выход блока 11 запуска поступает на третий вход второго 9 компаратора; на трех (1.2.3) входах блока 7 управления формируется начальная принудительная логическая комбинация 1.0.1, при этом активизированы оптронные излучатели 17, 14 и соответствующие оптронные приемники 19, 23; секция 2 обмотки электромеханического преобразователя подключена к силовому источнику питания через ключи на оптронных приемниках 19, 23. При включении электродвигателя напряжение силового источника питания начинает увеличиваться с нуля до заданного значения. Когда величина этого напряжения меньше, чем заданный порог срабатывания блока 11 запуска, т.е. меньше чем 1 вольт, величина тока (I инв), потребляемого инвертором 6 от силового источника питания, определяется по следующей формуле:
1) I инв = 3Е инв / 2R секц (для соединения секции 2, 3, 4 по схеме "треугольник")
2) I инв = Е инв / 2R секц (для соединения секции 2, 3, 4 по схеме "звезда"),
где Е инв - напряжение питания инвертора,
R секц - сопротивление одной секции обмотки электродвигателя.
В начальный момент включения электродвигателя, когда нарастающее напряжение силового источника питания еще не достигло порога срабатывания блока 11, индуктор 5 под воздействием нарастающего магнитного поля обмоток 2, 3, 4 устанавливается в жестко заданном угловом положении. Когда напряжение питания инвертора 6 достигает значения напряжения срабатывания блока 11, его первый выход отключается от компаратора 9 за счет запертого диода 27, а на втором его выходе формируется импульс запуска с помощью биполярного транзистора 25 и конденсатора 28 (фиг.2); в этот момент осуществляется запуск электродвигателя, и после окончания импульса запуска блок 11 отключается от компаратора 10 за счет запертого транзистора 25; электродвигатель переходит в режим самосинхронизации за счет возвратной ЭДС, наводимой на обмотки электродвигателя при вращении индуктора 5, которая снимается с его трехфазной обмотки с помощью трех компараторов 8, 9, 10. При начальной принудительной логической комбинации 1.0.1 на входах 1.2.3 блока 7, когда нарастающее напряжение силового источника питания еще не достигло порога срабатывания блока 11, возвратная ЭДС, наводимая в обмотках электродвигателя за счет поворота индуктора 5, не воспринимается компараторами 8, 9, 10. При импульсе запуска начальная принудительная логическая комбинация 1.0.1 на трех входах 1.2.3 блока 7 изменяется на принудительную запускающую логическую комбинацию 1.0.0; активизируются оптронные излучатели (ОИ) 14, 13 и соответствующие оптронные приемники (ОП) 19, 21, при этом к силовому источнику питания вместо секции 2 обмотки электромеханического преобразователя подключается секция 3, в результате, вектор магнитного поля поворачивается на 60 градусов, и индуктор 5 с ускорением стремится занять новое угловое положение; в результате чего на обмотках электродвигателя появляется возвратная ЭДС. После окончания импульса запуска возвратная ЭДС начинает восприниматься компараторами 8, 9, 10, и электродвигатель переходит в режим самосинхронизации. После этого электродвигателем можно управлять: момент сил на валу электродвигателя пропорционален величине тока в его обмотках, а скорость вращения индуктора 5 - величине напряжения силового источника питания. Оптронные излучатели 12, 13, 14, 15, 16, 17 электрически соединены между собой таким образом, что кроме оптической развязки с инвертором 6 играют роль оптронного дешифратора, который с помощью инвертора 6 реализует алгоритм 120-градусной коммутации напряжений трехфазной нагрузки - обмоток электромеханического преобразователя 1. В используемой 120-градусной коммутации в любой момент времени к силовому источнику питания подключены только две фазы, третья же используется для съема возвратной ЭДС. В режиме самосинхронизации за один оборот индуктора 5 на трех входах 1.2.3 блока 7 управления компараторы 8, 9, 10 за счет анализа возвратной ЭДС последовательно формируют 6 кодовых комбинаций:
1) (1.0.1) - активизируются ОИ. (17.14) и ОП. (23.19) вкл. секция 2
2) (1.0.0) - активизируются ОИ. (14.13) и ОП. (19.21) вкл. секция 3
3) (1.1.0) - активизируются ОИ. (13.16) и ОП. (21.20) вкл. секция 4
4) (0.1.0) - активизируются ОИ. (16.15) и ОП. (20.22) вкл. секция 2
5) (0.1.1) - активизируются ОИ. (15.12) и ОП. (22.18) вкл. секция 3
6) (0.0.1) - активизируются ОИ. (12.17) и ОП. (18.23) вкл. секция 4.
Первая и вторая кодовые комбинации используются для запуска электродвигателя. В общем случае для запуска электродвигателя можно использовать любые две соседние кодовые комбинации. Третья, четвертая, пятая и шестая кодовые комбинации используются для автоматического формирования трехфазного напряжения на обмотках электродвигателя в процессе его работы в условиях самосинхронизации.
Заявленное изобретение позволяет простыми средствами значительно повысить надежность и устойчивость работы вентильного электродвигателя, уменьшить пульсации вращающего момента.
Указанные обстоятельства обусловливают соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».