ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
VALVE ELECTRIC DRIVE WITH VIBRATING MOTION

Изобретение относится к электротехнике, а именно электроприводам переменного тока колебательного движения, и может быть использовано при создании электроприводов сканирования, калибровки, измерения, контроля и управления, а также в автоматизированных электроприводах механизмов с колебательным движением рабочего органа.
Известен электропривод колебательного движения [RU 107426 U1, МПК Н02Р 6/02 (2006.01), Н02Р 27/04 (2006.01), Н02K 33/04 (2006.01), опубл. 10.08.2011], содержащий двухфазный электродвигатель, обмотка возбуждения которого имеет зажимы для подключения к источнику переменного тока, преобразователь частоты, входы которого предназначены для подключения к фазам источника переменного тока соответственно, инвертор, выход которого соединен с выводами обмотки управления электродвигателя, функциональный цифроаналоговый преобразователь, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, преобразователь разности частот в код, выход которого соединен с входом функционального цифроаналогового преобразователя, а первый вход связан с выходом преобразователя частоты. Фазосдвигающее звено подключено своим входом к фазам источника переменного тока, а выходом ко второму входу преобразователя разности частоты в код и к первому входу модулятора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, первый вход которого подключен к выходу датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя. Второй вход усилителя с регулируемым коэффициентом усиления подключен к выходу второго сумматора, первый вход которого подключен к выходу функционального цифроаналогового преобразователя. Второй вход второго сумматора подключен к задатчику позиционного усилия. Первый сумматор соединен своим выходом с входом инвертора, первым входом подключен к выходу преобразователя частоты, а вторым входом подключен к выходу модулятора. Упругий элемент соединен механически через датчик положения с валом электродвигателя. Этот электропривод колебательного движения выбран в качестве прототипа.
Недостатками этого электропривода колебательного движения являются наличие датчика положения, механически соединенного с валом электродвигателя для обеспечения обратной связи по положению, что существенно ограничивает динамический диапазон работы электропривода и работа исполнительного двигателя (асинхронного двигателя) в номинальном режиме при токах, значения которых соответствуют пусковым токам. Последнее приводит к большим тепловым потерям и, как следствие, снижению общего КПД электропривода.
Известен вентильный электропривод колебательного движения [RU 2629946 С1, МПК H02K 33/08 (2006.01), Н02Р 25/02 (2006.01), Н02Р 27/04 (2006.01), Н02Р 6/16 (2006.01), опубл. 05.09.2017], содержащий датчик положения, механически соединенный с валом двухфазного электродвигателя, усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, источник переменного тока и сумматор, соединенный своим выходом со входом инвертора напряжения, выход которого подключен ко второй статорной обмотке двигателя. Первая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу фильтра низкой частоты, который соединен своим входом с выходом выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного тока. Выход датчика положения соединен со входом релейного элемента, выход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Выход задающего генератора частоты колебаний соединен с первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу усилителя с регулируемым коэффициентом усиления. Этот электропривод выбран в качестве прототипа.
Это устройство тоже содержит датчик положения, механически соединенный с валом электродвигателя для обеспечения обратной связи по положению. Наличие дополнительного звена преобразования движения ограничивает динамический диапазон работы вентильного электропривода колебательного движения, снижая кпд и его координатную точность.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в улучшении динамических и энергетических показателей вентильного электропривода колебательного движения при обеспечении резонансного режима работы в широком частотном диапазоне регулирования частоты.
Вентильный электропривод колебательного движения, также как в прототипе, содержит вентильный двигатель с двумя обмотками на статоре, задающий генератор, выпрямитель, соединенный своим выходом с входом фильтра низкой частоты, инвертор напряжения, выход которого подключен ко второй статорной обмотки двигателя.
Согласно изобретению в вентильный электропривод введены частотный демодулятор, функциональный преобразователь и преобразователь напряжения. Первая статорная обмотка вентильного двигателя подключена к выходу преобразователя напряжения, который соединен своим входом с выходом функционального преобразователя, первый вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты, а второй - к выходу частотного демодулятора. Входа частотного демодулятора, выпрямителя и инвертора напряжения соединены с выходом задающего генератора.
Использование частотного демодулятора, функционального преобразователя и преобразователя напряжения позволяют создать колебательный режим работы вентильного электропривода с регулируемыми выходными параметрами и поддерживать резонансный режим работы за счет регулирования собственной частоты без наличия датчика положения, обеспечивая тем самым более широкий динамический диапазон работы по частоте и высокие энергетические показатели электропривода в целом.
На фиг. 1 представлена блок-схема вентильного электропривода колебательного движения.
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики вентильного электропривода колебательного движения, где кривая 1) - соответствует работе электропривода при постоянном фазном напряжении на обмотке вентильного двигателя, а кривая 2) - соответствует работе вентильного двигателя при изменяющемся фазном напряжении при регулировании частоты колебаний.
Вентильный электропривод колебательного движения (фиг. 1) содержит из вентильного двигателя 1 со статорными обмотками 2 и 3, задающего генератора частоты колебаний 4 (ЗГ), частотного демодулятора 5 (ЧД), выпрямителя 6 (В), фильтра низкой частоты 7 (ФНЧ), функционального преобразователя 8 (ФП), преобразователя напряжения 9 (ПН) и инвертора напряжения 10 (ИН).
Статорная обмотка 2 вентильного двигателя 1 подключена к выходу преобразователя напряжения 9 (ПН), а статорная обмотка 3 - к выходу инвертора напряжения 10 (ИН), вход которого соединен с выходом задающего генератора 4 (ЗГ). Вход преобразователя напряжения 9 (ПН) подключен к выходу функционального преобразователя 8 (ФП), первый вход которого подключен к выходу фильтра низкой частоты 7 (ФНЧ), а второй - к выходу частотного демодулятора 5 (ЧД). Вход фильтра низкой частоты 7 (ФНЧ) соединен с выходом выпрямителя 6 (В), вход которого подключен к выходу задающего генератора 4 (ЗГ). Вход частотного демодулятора подключен к выходу задающего генератора 4 (ЗГ).
При технической реализации макетного образца заявляемого устройства задающий генератор частоты колебаний 4 (ЗГ) был выполнен на операционном усилителе серии 140 УД8. Выпрямитель 6 (В) реализован по двухполупериодной схеме выпрямления на полупроводниковых диодах. Фильтр низкой частоты 7 (ФНЧ) выполнен по схеме Г-образного LC фильтра. В качестве инвертора напряжения 10 (ИН) использовался мостовой инвертор с транзисторными ключами. Частотный демодулятор 5 (ЧД) был выполнен на микросхеме КР 1108ПП1. Функциональный преобразователь 8 (ФП) реализован на дифференциальном усилителе с токопитающим каскадом на базе микросхемы К1УТ981 с нелинейным преобразовательным устройством на диодах во входной цепи операционного усилителя. Преобразователь напряжения 9 (ПН) выполнен на силовом транзисторном ключе с системой управления, реализующей управление по балансу необходимой и накопленной энергии. В качестве испытуемого двигателя использовался двухфазный вентильный двигатель ДБМ 185-6-0,2-2.
Вентильный электропривод колебательного движения работает следующим образом.
Напряжение с выхода задающего генератора 4 (ЗГ) частоты Ω
,
m1
где U - амплитуда напряжения задающего генератора;
t - текущее значение времени,
10
поступает на вход инвертора напряжения 10 (ИН) с коэффициентом передачи k, где оно усиливается по напряжению
1
и запитывает статорную обмотку 3 вентильного двигателя 1, создавая в ней пульсирующий магнитный поток Ф.
Одновременно напряжение с выхода задающего генератора 4 (ЗГ) частоты Ω поступает на вход двухполупериодного выпрямителя 6 (В), где оно сначала выпрямляется
,
а затем, после сглаживания пульсаций на фильтре низкой частоты 6 (ФНЧ)
7
7
6
U=kU,
7
где k - коэффициент передачи фильтра низкой частоты
поступает на первый вход функционального преобразователя 8 (ФП).
Одновременно напряжение с выхода задающего генератора 4 (ЗГ) частоты Ω поступает на вход частотного демодулятора 5 (ЧД), с выхода которого снимается постоянное напряжение, пропорциональное по величине частоте Ω
5
5
U=kΩ,
5
где k - коэффициент передачи частотного демодулятора 5 (ЧД).
8
Сформированное напряжение на выходе частотного демодулятора 5 (ЧД) поступает на второй вход функционального преобразователя 8 (ФП) и регулирует его выходное напряжение U согласно алгоритму
,
8
где k - коэффициент передачи функционального преобразователя 8 (ФП).
Напряжение с выхода функционального преобразователя 9 (ФП) поступает на вход преобразователя напряжения 9 (ПН), усиливается по мощности и запитывает статорную обмотку 2 вентильного двигателя 1 напряжением
,
9
где k - коэффициент передачи преобразователя напряжения.
1
поз
2
В результате в статорной обмотке 2 создается электромагнитный поток Ф, который, взаимодействуя с постоянным магнитным потоком обмотки якоря вентильного двигателя 1, формирует собственный позиционный электромагнитный момент М и взаимодействуя с электромагнитным потоком Ф создает в воздушном зазоре вентильного двигателя 1 колебательное электромагнитное поле. При этом подвижный элемент вентильного двигателя совершает гармонические колебания с частотой Ω.
поз
9
При регулировании частоты колебаний Ω, величина позиционного момента М изменяется в соответствие с напряжением U, обеспечивая поддержание резонансного режима работы вентильного электропривода колебательного движения в заданном частотном диапазоне колебаний.
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики вентильного электропривода колебательного движения при постоянном 1) и изменяющемся, согласно предложенному устройству, фазном напряжении на обмотке вентильного двигателя при регулировании частоты колебаний Ω 2). Как видно, за счет поддержания резонансного режима работы в вентильном электроприводе колебательного движения при регулировании частоты колебаний Ω достигается более высокие значения амплитуды колебаний, что позволяет повысить энергетические показатели электропривода без наличия электромеханической обратной связи по положению. При этом существенно расширяется динамический диапазон работы электропривода, повышается его координатную точность и снижается стоимость по сравнению с аналогом.
8
10
10
m
Настройкой коэффициент передачи функционального преобразователя 8 (ФП) k устанавливается резонансный режим работы вентильного электропривода с учетом параметров инерционной и демпфирующей нагрузки на минимальную частоту колебаний Ω. Изменением амплитуды выходного напряжения U инвертора напряжения 10 (ИН), за счет регулирования коэффициента передачи инвертора k, обеспечивают требуемую амплитуду колебаний χ.
Точность задания и поддержания частоты колебаний Ω определяются стабильностью задающего генератора частоты колебаний 4 (ЗГ).