ВЕНТИЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ
RECTIFIER MOTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания малогабаритных электроприводов постоянного тока.
Известны вентильные электродвигатели, которые содержат синхронную машину с двухфазной якорной обмоткой, первая и вторая фазы которых включены в диагональ транзисторного коммутатора, датчики положения ротора, устройство управления электроприводом (см., например, книги Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967, 144 с., патенты США №5414331, Н02К 23/00 «Цепь питания бесконтактного двигателя» и №5384527, Н02К 29/06 «Датчик положения ротора, вычисляющий напряжение противо-ЭДС», патенты Японии JP 60222393, Н02К 29/06 «Бесщеточный электродвигатель» и JP 60222391, Н02К 29/00 «Двухфазная электрическая машина»).
Известные устройства, питаемые от источника постоянного тока, обеспечивают бесконтактную коммутацию токов в якорной обмотке. При этом индуктор предполагается изготовленным из постоянного магнита, имеющим несколько пар полюсов. В простейшем варианте их одна пара. Чтобы создать вращающееся магнитное поле якоря требуется две обмотки, пространственно и по фазе питающего напряжения сдвинутые на угол около 90°. Возможно использование многофазных обмоток (см., например, книги Дубенский А.А. Бесконтактные двигатели постоянного тока. М.: Энергия, 1967, 144 с.), но при этом основные характеристики такого бесконтактного привода незначительно отличаются от простейшего варианта. При однофазной якорной обмотке поле получается пульсирующим, а не вращающимся. В этом случае характеристики бесконтактного привода существенно отличаются от характеристик многофазных двигателей. Поэтому для сравнения ограничимся двухфазными вентильными электродвигателями постоянного тока с индуктором, имеющим одну пару полюсов.
Для известных бесконтактных электродвигателей постоянного тока существуют несколько проблем, из которых выделим четыре: обеспечение достаточного пускового момента, минимальных габаритов, высокого КПД и стабилизация скорости вращения.
Для обеспечения достаточного пускового момента используют датчики положения ротора, сигнал которых указывает на расположение индуктора относительно коммутируемой фазы. Благодаря этим датчикам определяется номер фазной обмотки и направление тока в ней. Направление вращения электродвигателя определяется пространственным углом между осями индуктора и датчика положения ротора. Поэтому изменение направления вращения известных вентильных электродвигателей требует использования сложных электронных схем.
Наличие дополнительных датчиков положения ротора часто приводит к двойному увеличению габаритов электродвигателя. Так как датчики положения ротора требуют подвода к ним питающего напряжения, то уже это обстоятельство снижает отношение электромагнитной мощности на валу электродвигателя к мощности потребления, т.е. КПД. Для обеспечения нормальной работы известного вентильного электродвигателя требуются различные формирующие электронные цепи, что дополнительно понижает КПД вентильного электродвигателя.
Несмотря на наличие датчиков положения, вентильный электропривод обладает неустойчивостью скорости вращения вала. Связано это с тем, что при малой нагрузке на валу двигателя возможен перескок на более высокие скорости вращения.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, приведенное в а.с. СССР №1658308, Н02К 29/06 «Вентильный электродвигатель», принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:
1, 2 - первая и вторая фазные обмотки якоря синхронной машины;
3÷10 - с третьего по десятый транзисторы мостового транзисторного коммутатора;
11÷18 - с первого по восьмой обратные диоды;
19 - дроссель;
20, 21 - первая и вторая силовые обмотки дросселя;
22 - измерительная обмотка дросселя;
23 - компаратор;
31, 32, 39, 40 - с первого по четвертый логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
41÷44 - с первого по четвертый логические элементы И;
45 - датчик положения ротора.
Вентильный электродвигатель-прототип содержит синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря, первая 1 и вторая 2 фазы которой включены соответственно в диагонали первого и второго мостовых транзисторных коммутаторов, содержащих транзисторы 3÷10 и обратные диоды 11÷18, а также датчик 45 положения ротора, дроссель 19 с двумя силовыми обмотками 21 и 20 и измерительной обмоткой 22, которая подключена к соответствующим входам компаратора 23, а также четыре логических элемента И 41÷44 и четыре логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, 32, 39, 40. Управляющие входы (базы) транзисторов 4, 6, 8 и 10, объединенных эмиттерами, подключены к соответствующим выходам датчика 45 положения ротора, а входы управления (базы) остальных транзисторов 3, 5, 7, и 9 - к выходам соответствующих элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31÷40. При этом обеспечивается при пуске и малых скоростях вращения коммутация с углом меньше 180° с одновременным обеспечением режима динамического торможения за счет включенных транзисторов 3÷10.
Причем управляющий вход (база) транзистора 4 соединен с соответствующими входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32, И 42. Управляющий вход (база) транзистора 6 соединен с соответствующими входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, И 42. Управляющий вход (база) транзистора 8 соединен с соответствующими входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 40, И 43. Управляющий вход (база) транзистора 10 соединен с соответствующими входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39, И 43. Кроме того, выход логического элемента И 42 соединен с соответствующим входом логического элемента И 41, выход которого подсоединен к соответствующим входам логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 и 32, выход логического элемента И 43 соединен с соответствующим входом логического элемента И 44, выход которого подсоединен к соответствующим входам логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 39 и 40. Выход компаратора 23 соединен с соответствующими входами логических элементов И 41 и 44. Причем компаратор 23 имеет вход управления.
Недостатками вентильного электродвигателя являются: большие габариты, невозможность реверса, низкий КПД и недостаточная стабильность скорости вращения, возможность неуправляемого изменения скорости вращения.
Для устранения указанных недостатков в предлагаемое устройство, содержащее синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря, первая и вторая фазные обмотки которой включены в диагонали соответствующих первого и второго мостовых транзисторных коммутаторов, каждый из которых содержит по четыре транзистора и по четыре защитных диода, а также дроссель, содержащий измерительную обмотку и две силовые обмотки, причем каждый транзисторный коммутатор включен между общей шиной питания и соответствующей силовой обмоткой дросселя, другие выводы обеих силовых обмоток подсоединены к потенциальной шине питания, кроме того, первый и второй логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и компаратор, согласно изобретению, введены первый и второй усилители мощности, выходы каждого из которых соединены с соответствующими управляющими входами соответствующих транзисторных коммутаторов, последовательно соединенные фазовый детектор и фильтр, выход которого соединен с входом компаратора, а также задающий генератор, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, вход которого соединен с эмиттером второго транзистора автогенератора и тактовым входом двоичного счетчика, первый выход которого соединен с первым входом первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого подсоединен ко второму выходу двоичного счетчика и первому входу второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом мультиплексора, первый и второй входы которого подсоединены соответственно к потенциальной и общей шине питания, к третьему и четвертому входам мультиплексора подключены соответственно прямой и инверсный выходы компаратора, пятый и шестой входы мультиплексора являются входами выбора соответственно, выходы первого и второго логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соединены с входами первого и второго усилителей мощности соответственно, при этом один из выводов измерительной обмотки дросселя через резисторы делителя напряжения соединен с анодом биполярного диода и потенциальной шиной питания, эмиттер первого транзистора автогенератора подсоединен к средней точке делителя напряжения, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора обратной проводимости автогенератора, коллектор которого соединен с базой первого транзистора автогенератора и катодом биполярного диода, эмиттер второго транзистора соединен с одним из выводов измерительной обмотки дросселя и через резистор - с общей шиной питания.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1, 2 - первая и вторая фазные обмотки двухфазной синхронной машины;
3÷10 - с третьего по десятый транзисторы мостовых транзисторных коммутаторов;
11÷18 - с первого по восьмой защитные диоды мостовых транзисторных коммутаторов;
19 - дроссель;
20, 21 - первая и вторая силовые обмотки дросселя;
22 - измерительная обмотка дросселя;
23 - компаратор;
24, 25 - первый и второй транзисторы разного типа проводимости;
26, 27 - резисторы делителя напряжения;
28 - биполярный диод;
29 - резистор;
30 - двоичный счетчик;
31, 32 - первый и второй логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;
33 - мультиплексор;
34 - задающий генератор;
35 - фазовый детектор;
36 - фильтр;
37, 38 - первый и второй усилители мощности.
Предлагаемое устройство содержит синхронную машину с двухфазной обмоткой якоря, первая 1 и вторая 2 фазы которой включены в диагонали соответствующих первого и второго мостовых транзисторных коммутаторов, содержащих соответственно силовые транзисторы 3÷6 и 7÷10, и защитные диоды 11÷14 и 15÷18, а также дроссель 19, содержащий измерительную обмотку 22 и две силовые обмотки 20 и 21, каждая из силовых обмоток включена между соответствующим транзисторным коммутатором и потенциальной шиной питания. При этом управляющие входы (базы) транзисторов 3÷6 первого мостового транзисторного коммутатора подсоединены к соответствующим выходам первого усилителя мощности 37, а управляющие входы (базы) транзисторов 7÷10 второго мостового транзисторного коммутатора подсоединены к соответствующим выходам второго усилителя мощности 38. Один вывод измерительной обмотки 22 дросселя 19 через резисторы 27 и 26 делителя напряжения соединен с анодом биполярного диода 28 и потенциальной шиной питания. Эмиттер первого транзистора 24 подсоединен к средней точке (точке соединения резисторов 26 и 27) делителя напряжения, коллектор транзистора 24 соединен с базой второго транзистора (обратной проводимости) 25, коллектор которого соединен с базой первого транзистора 24 и катодом биполярного диода 28, эмиттер второго транзистора 25 соединен с одним выводом резистора 29 и другим выводом измерительной обмотки 22 дросселя 19. Другой вывод резистора 29 соединен с отрицательной шиной питания, к которой подсоединены эмиттеры транзисторов 4, 6, 8 и 10 и аноды диодов 12, 14, 16 и 18 транзисторных коммутаторов. При этом первый 24 и второй 25 транзисторы, делитель напряжения на резисторах 26 и 27, биполярный диод 28 и резистор 29 образуют автогенератор. Кроме того, последовательно соединены фазовый детектор 35, фильтр 36 и компаратор 23, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно с третьим и четвертым входами мультиплексора 33, при этом выход задающего генератора 34 соединен со вторым входом фазового детектора 35, вход которого соединен с эмиттером транзистора 25 и входом счетчика 30, первый выход которого соединен с первым входом первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, выход которого соединен с входом первого усилителя мощности 37. Второй выход счетчика 30 соединен со вторым входом первого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 и первым входом второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32, выход которого соединен с входом второго усилителя мощности 38. Выход мультиплексора 33 соединен со вторым входом второго логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32. При этом первый и второй входы мультиплексора 33 соединены с соответствующими шинами питания, а пятый и шестой входы являются входами выбора мультиплексора 33.
Предлагаемый вентильный электродвигатель работает следующим образом. После подачи напряжения питания на вентильный электродвигатель включается автогенератор на транзисторах разного типа проводимости 24 и 25. Частота импульсов автогенератора в этот момент времени устанавливается достаточно низкой, чтобы обеспечить большой пусковой момент, который выбирается по механической характеристике (фиг.4). Импульсы снимаются с эмиттера транзистора 25, соединенного через резистор 29 с общей шиной. Эти импульсы подаются на тактовый вход двоичного счетчика 30 и на первый вход фазового детектора 35. В результате поступления этих импульсов на выходах двоичного счетчика 30 изменяются потенциалы (происходит счет). На второй вход фазового детектора подаются импульсы от задающего генератора 34. В результате на выходе фазового детектора 35 получается напряжение, пропорциональное разности фаз сигналов, поступающих с измерительной обмотки 22 и задающего генератора 34. С помощью фильтра 36 напряжение сглаживается и подается на вход компаратора 23. При превышении уровня срабатывания, задаваемого компаратору 23, на его выходах устанавливается уровень высокого (логическая единица) или низкого (логический ноль) потенциала. У компаратора 23 имеется прямой и инверсный выходы, которые подключаются соответственно к третьему и четвертому входам мультиплексора 33. На первом и втором входах мультиплексора 33 устанавливаются уровни логической единицы и логического нуля соответственно. В зависимости от двухразрядного двоичного кода, устанавливаемого на входах выбора, на выходе мультиплексора 33 выбирается уровень сигнала на одном из четырех его входов. На выходах логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 и 32 появляются сигналы в соответствии с временной диаграммой, приведенной на фиг.3. В строке 1 показаны импульсы на первом выходе двоичного счетчика 30. В строке 2 приведены импульсы на втором выходе двоичного счетчика 30. В строке 31 приведены импульсы на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31, которые отстают по фазе от импульсов на втором выходе двоичного счетчика 30 на четверть периода. Сигнал на выходе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32 либо совпадает по фазе с импульсами на втором выходе двоичного счетчика 30 (при нулевом уровне на выходе мультиплексора 33) - строка 32-0, либо противоположен по фазе (при логической единице на выходе мультиплексора 33) - строка 32-1. Следовательно, при изменении уровня сигнала на втором входе логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 32 фаза сигнала на ее выходе изменяется на противоположную. Учитывая, что выходы логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 31 и 32 подключены через усилители 37 и 38 к мостовым транзисторным коммутаторам, это приводит к возникновению тормозящего момента на валу электродвигателя, что может привести к изменению направления вращения вала электродвигателя (реверсу). Поэтому, задавая уровень сигнала на выходе мультиплексора 33, можно задавать направление вращения вала или осуществлять динамическое торможение, которое используется при стабилизации скорости вращения, определяемой задающим генератором 34. При этом направление вращения определяется в зависимости от подключаемого выхода компаратора 23 - прямого или инверсного.
Вначале скорость вращения определяется частотой автогенератора на транзисторах разного типа проводимости 24 и 25. Но при появлении сигнала на измерительной обмотке 22 дросселя 19 этот сигнал синхронизирует частоту автогенератора. В случае необходимости стабилизации скорости вращения вала электродвигателя используют задающий генератор 34, частота которого определяет скорость вращения. Выбор режима работы вентильного электродвигателя определяется уровнями сигналов на входах выбора мультиплексора 33.
Механическая характеристика вентильного электродвигателя приведена на фиг.4. Несмотря на отсутствие датчиков положения, механическая характеристика получается линейной и близкой к механической характеристике коллекторного электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
Как видно из описания предлагаемого вентильного электродвигателя, у него отсутствует датчик положения ротора, что существенно снижает габариты и повышает надежность работы. Отсутствие датчика положения упрощает и электронную часть вентильного электродвигателя, так как снижаются требования к блокам, формирующим сигналы от датчиков положения ротора, а также повышается КПД устройства, за счет работы в ключевом режиме с малыми потерями электрической энергии.
Работа предлагаемого устройства осуществляется по сложным законам и с высоким качеством.