ЭЛЕКТРОПРИВОД

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к тихоходному электроприводу на основе бесконтактного двигателя постоянного тока и может быть использована в электроприводах, применяемых, для вращения, например, витрин торгового оборудования, стендов динамической рекламы.
Известен электропривод постоянного тока на базе бесконтактного двигателя постоянного тока (БДПТ). Этот электропривод содержит: синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами и датчик положения ротора; трехфазный инвертор и систему управления инвертором. При этом вход инвертора подключен к сети постоянного напряжения, а его выход - к трехфазной обмотке статора синхронного двигателя. Выход датчика положения ротора подключен к входу системы управления инвертором, выход которой связан с управляющим входом инвертора. [1. Бут. Д.А. Бесконтактные электрические машины: Учеб. пособие для электромеханических и электроэнергетических спец. втузов. - М: Высш. шк., 1985. - с.153, рис.5.13].
Такой электропривод по регулировочным свойствам близок к двигателям постоянного тока. Однако при низких скоростях вращения 0,1-5,0 об/мин, необходимых для конструкций торгового оборудования, рекламных витрин и др. - (рабочий механизм), трудно обеспечить равномерность вращения торгового оборудования. Это объясняется тем, что момент нагрузки, определяемый рабочим механизмом непостоянен на протяжении одного оборота рабочего механизма и соответственно двигателя. Равномерность вращения, а, следовательно, и плавность можно обеспечить с помощью редуктора. Однако наличие редуктора усложняет схему электропривода.
Наиболее близким по технической сути является электропривод постоянного тока, содержащий инвертор, систему управления инвертором,
преобразователь напряжения и синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, ротор с постоянными магнитами, датчик положения ротора и обмотку возбуждения. При этом силовой вход инвертора подключен к сети постоянного напряжения, а его выход соединен с обмотками статора синхронного двигателя. Выход датчика положения ротора подключен к входу системы управления инвертором, выход которой соединен с управляющим входом инвертора. Выход преобразователя напряжения подключен к обмотке возбуждения, а его силовой вход соединен с сетью постоянного напряжения. Кроме того, система управления инвертором и преобразователь напряжения имеют внешние управляющие входы для задания режимов работы электропривода [2. патент РФ №41396, опубл. Бюл. №29, 20.10.2004].
Наличие внешнего управляющего входа системы управления инвертором позволяет обеспечить работу этого привода в широком диапазоне частот вращения за счет стабилизации частоты вращения. Однако в диапазоне низких скоростей вращения рабочего механизма, например, 0,1-5,0 об/мин необходимая плавность вращения не может быть обеспечена без использования редуктора и дорогостоящих прецизионных датчиков положения, введение которых усложняет и удорожает конструкцию электропривода. Кроме того, такой электропривод неоправданно усложнен для данной области применения из-за наличия обмотки возбуждения электродвигателя и преобразователя напряжения для ее питания.
Задачей полезной модели является создание безредукторного электрического привода на основе БДПТ, позволяющего получить технический результат, заключающийся в обеспечении необходимой плавности вращения рабочего механизма при низких скоростях вращения, без увеличения стоимости электропривода.
Решение задачи достигается тем, что заявляемый электропривод содержит, как и прототип, преобразователь напряжения, силовой вход которого подключен к сети питания, а выход, соединен с первым входом инвертора, систему управления инвертором, выход которой соединен с управляющим
входом инвертора; синхронный двигатель, имеющий статор с обмотками, соединенными с выходом инвертора, ротор с постоянными магнитами, и связанный с ним датчик положения ротора.
Но в отличие от прототипа согласно заявляемой полезной модели электропривод дополнительно содержит блок задания угловой скорости рабочего механизма, сумматор с обнулением, преобразователь время - напряжение, и узел сравнения. При этом датчик положения ротора состоит из датчика точного отсчета положения ротора и датчика грубого отсчета положения ротора, входы которых объединены и связаны с ротором синхронного двигателя. Выход датчика грубого отсчета положения ротора соединен с одним из входов сумматора с обнулением, выход датчика точного отсчета положения ротора соединен со вторым входом сумматора с обнулением и входом преобразователя время - напряжение. Кроме этого, один из входов узла сравнения соединен с выходом блока задания угловой скорости, а выход узла сравнения через регулятор частоты вращения подключен к первому входу системы управления инвертором, со вторым входом которого соединен выход сумматора с обнулением. Отличием от прототипа в частном случае исполнения является также то, что преобразователь напряжения заявляемого электропривода выполнен в виде преобразователя переменного напряжения в постоянное, и его силовой вход подключен к сети переменного тока.
Отличия от наиболее близкого технического решения подтверждают новизну полезной модели.
Благодаря имеющимся отличиям в данном приводе возможна стабилизация скорости, обеспечивающая плавность вращения ротора при низких частотах вращения ротора. При этом выходные импульсы с датчиков точного и грубого отсчета положения ротора поступают на входы сумматора с обнулением, на выходе которого формируется сигнал для системы управления инвертором. При неравномерном вращении ротора на выходе датчика точного отсчета формируются импульсы, которые поступают на преобразователь время - напряжение, на выходе которого формируется сигнал мгновенной
частоты вращения ротора. Этот сигнал сравнивается с заданной частотой вращения и полученный разностный сигнал через регулятор частоты вращения поступает на вход системы управления инвертором, обеспечивая тем самым равномерность и плавность вращения рабочего механизма.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема электропривода, на фиг.2 показаны временные диаграммы работы электропривода при равномерной и неравномерной частотах вращения ротора в пределах одного механического периода.
Электропривод (фиг.1) содержит последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения в постоянное 1, инвертор 2, синхронный двигатель 3, включающий статор с обмотками 4 и ротор с постоянными магнитами 5. С ротором 5 связаны рабочий механизм 6 и датчики точного отсчета положения ротора 7 и грубого отсчета положения ротора 8. Выход системы управления инвертором 9 связан с управляющим входом инвертора 2. Входы сумматора с обнулением 10 соединены соответственно с выходами датчиков точного отсчета положения ротора 7 и грубого отсчета положения ротора 8, а его выход связан с первым входом системы управления 9 инвертором 2. Вход преобразователя время - напряжение 11 связан с выходом датчика точного отсчета положения ротора 7, а его выход соединен с одним из входов узла сравнения 12. Второй вход узла сравнения 12 связан с выходом блока задания угловой скорости 13, а выход узла сравнения 12 через регулятор частоты вращения 14 соединен со вторым входом системы управления 9 инвертором 2.
В частном случае исполнения преобразователь напряжения 1 заявляемого электропривода выполнен в виде преобразователя переменного напряжения в постоянное, и его силовой вход подключен к сети переменного тока.
м
э1
э4
nр
*
Обозначения на фиг.2: t - текущее время; Т - механический период обращения ротора; Т-Т - «электрический» период тока в обмотках двигателя; φ- сигнал на выходе сумматора с обнулением 10; Т- период сигнала с датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 при постоянной частоте
*
inр
з
ср
м
вращения; i - задающий сигнал для тока в обмотках 4 двигателя 3; Т - период сигнала с датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 при изменяющейся частоте вращения; ω - текущая частота вращения, ω - заданная частота вращения на выходе блока задания угловой скорости 13; ω- частота вращения, усредненная на механическом периоде Т (средняя) частота вращения.
c
Работа заявляемого электропривода показана на конкретном примере выполнения. В данном примере преобразователь переменного напряжения в постоянное 1 выполнен в виде мостового выпрямителя, выход которого подключен к транзисторному преобразователю с трансформатором повышенной частоты, вторичная обмотка которого подключена к высокочастотному выпрямителю с фильтром. Трансформатор осуществляет согласование напряжения ~U с входным напряжением U инвертора 2, который является автономным трехфазным, выполненным по классической схеме с широтно-импульсным формированием тока в обмотках 4 синхронного двигателя 3. Ротор 5 синхронного двигателя 3 жестко связан с рабочим механизмом 6 (например, витриной торгового оборудования) и датчиками точного отсчета положения ротора 7 и грубого отсчета положения ротора 8. Датчики точного 7 и грубого 8 отсчетов положения ротора выполнены, например, в виде диска с прорезями (щелями). По одну сторону диска установлен источник излучения, а по другую сторону - приемник излучения. В диске датчика грубого отсчета положения ротора 8 число прорезей (щелей) равно числу пар полюсов синхронного двигателя 3, а в датчике точного отсчета положения ротора 7 число прорезей выполнено максимально возможным и кратным числу прорезей в диске датчика грубого отсчета положения ротора 8. При такой конструкции датчиков число импульсов на приемнике излучения датчика грубого отсчета положения ротора 8 будет равно числу пар полюсов Р, а на приемнике излучения датчика точного отсчета положения ротора 7 число импульсов будет равно nР, где n - целое число. При равномерном вращении ротора 5 синхронного двигателя 3 и жестко связанных с ним рабочего механизма 6 и датчиков
iр
inр
н
н
н
н
ср
*
*
*
*
7 и 8, длительность интервалов Т и Т между импульсами у датчиков точного 7 и грубого 8 отсчетов угла положения ротора будет одинакова, как показано на фиг.2,б), в). Импульсы фиг.2, в) с датчика 7 точного отсчета положения ротора 5 поступают на счетный вход цифрового сумматора с обнулением 10, а импульсы с датчика грубого отсчета положения ротора 8 поступают на вход обнуления сумматора с обнулением 10. При этом на выходе сумматора с обнулением 10 формируется сигнал φ, фиг.2, г), который подается на вход системы управления 9 трехфазным автономным инвертором 2. Система управления 9 вырабатывает управляющие сигналы для трехфазного инвертора 2 такие, что в обмотках 4 синхронного двигателя 3 формируется трехфазная система синусоидальных токов, которая создает вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с постоянными магнитами ротора 5 и создает электромагнитный момент М, подаваемый на рабочий механизм 6. Под действием электромагнитного момента М ротор 5 и рабочий механизм 6 поворачиваются на угол φ, преодолевая момент сопротивления Мн и момент инерции рабочего механизма 6. Угол φ преобразуется датчиками точного и грубого отсчета положения ротора 7 и 8 во временные интервалы Т(р)- грубого и Т(np) - точного отсчета углов положения ротора. Так как в обмотках 4 формируется ток i, фиг.2, д) величина и форма которого однозначно связаны с положением ротора 5, то в синхронном двигателе 3 формируется максимальный электромагнитный момент М, действующий в направлении вращения ротора. При равенстве электромагнитного момента М и момента сопротивления М рабочего механизма 6, вращение последнего будет равномерным (плавным). Однако момент сопротивления М рабочего механизма 6 в течение одного оборота ротора не остается постоянным, т.е. зависит от угла φ положения ротора 5. При этом на интервале времени, когда М>М частота вращения ротора 5 и рабочего механизма 6 будет увеличиваться, а при М<М - уменьшаться, т.е. будет наблюдаться колебание частоты вращения ω ротора 5 и рабочего механизма 6 вокруг некоторого среднего значения ω. Это приводит к зрительному эффекту подергивания витрины,
з
м
ср
а в некоторых случаях, например, при большой амплитуде колебаний и ее крутом фронте - к динамическим ударам, вибрации и шуму, что нежелательно, а часто и недопустимо. Для исключения этих явлений по выходному сигналу датчика 7 точного отсчета положения ротора 5 с помощью преобразователя время-напряжение 11 вычисляется мгновенная частота ω вращения ротора 5, которая в узле сравнения 12 вычитается из задающей ω частоты вращения, вырабатываемой блоком задания угловой скорости 13, а разностный сигнал через регулятор частоты вращения 14 поступает на внешний управляющий вход системы управления 9 инвертором 2. На фиг.2 показано, что если механический период Т обращения ротора 5 остается постоянным, то средняя частота ω вращения ротора остается постоянной (например, равной заданной частоте (из вращения ротора 5). Но мгновенное значение частоты ω вращения будет отличаться от заданного значения. Частота вращения ω связана с углом φ положения ротора, как
При равномерном вращении , тогда
н
inp
э1
inр
nр
з
inр
э2
э3
э4
inр
При неравномерном вращении ротора 5 его мгновенная частота вращения о, определяемая изменяющимся моментом М сопротивления рабочего механизма 6, будет зависеть от мгновенного i- того интервала времени (периода T) между импульсами датчика Уточного отсчета положения ротора 5. На первом «электрическом» периоде Т, Т>Т, что свидетельствует о мгновенной скорости ω меньшей ω, далее при уменьшении Т на втором, третьем и четвертом «электрических» периодах Т, Т, Т мгновенное значение периода Т датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 также
з
з
з
з
уменьшается фиг.2, з), а значит мгновенная частота вращения ω ротора 5 вычисленная преобразователем время - напряжение 11, будет увеличиваться см. фиг.2, к). Преобразователь время - напряжение 11 выполнен по известному (классическому) решению, как преобразователь время - напряжение. Разностный сигнал (ω-ω), полученный в узле сравнения 12 через регулятор 14 частоты вращения ротора 5, подается на внешний управляющий вход системы управления 9 инвертором 2 и приводит к увеличению электромагнитного момента М синхронного двигателя 3, если ω<ω или к его уменьшению, если ω>ω. При этом мгновенная частота вращения со ротора 5 будет стремиться к заданной частоте ω вращения. Динамические характеристики электропривода и его устойчивость будут определяться, как динамическими характеристиками рабочего механизма 6, так и характеристиками регулятора частоты вращения 14, который в данном случае представляет собой ПИД -регулятор (пропорционально-интегрально-диффференциальный).
Заявляемая полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на существующей элементной базе и современном оборудовании, по современной технологии. Заявляемый электропривод может найти применение для вращения витрин торгового оборудования, стендов динамической рекламы и в других объектах, где требуется низкая и равномерная (плавная) частота вращения рабочего механизма. Данное техническое решение обеспечивает плавность вращения рабочего механизма без применения редуктора, прецизионных дорогостоящих датчиков положения и без высоких требований к применяемому электродвигателю.