Электропривод

 

Полезная модель относится к тихоходным электроприводам на основе бесконтактного двигателя постоянного тока и может найти применение для вращения витрин торгового оборудования, стендов динамической рекламы и в других объектах, где требуется равномерная и плавная частота вращения рабочего механизма. Электропривод содержит последовательно соединенные преобразователь переменного напряжения, инвертор, синхронный двигатель, состоящий из статора с обмотками и ротора с постоянными магнитами. С ротором двигателя связаны рабочий механизм и датчики точного отсчета положения ротора и грубого отсчета положения ротора. Выходы датчиков точного отсчета положения ротора и грубого отсчета положения ротора подключены к сумматору с обнулением. Электропривод включает также систему управления инвертором, выход которой связан с управляющим входом инвертора, блок задания угловой скорости рабочего механизма, узел сравнения и преобразователь время-напряжение, к входу которого подключен выход датчика точного отсчета положения ротора. Один из входов узла сравнения соединен с выходом преобразователя время - напряжение, второй подключен к выходу блока задания угловой скорости рабочего механизма. Выход узла сравнения через регулятор частоты вращения подключен к первому входу системы управления инвертором, со вторым входом которой соединен выход сумматора с обнулением. При вращении ротора его мгновенная частота вращения сравнивается в узле сравнения с заданной частотой вращения рабочего механизма и вырабатывается разностный сигнал, который поступает на вход системы управления. Тем самым регулируется частота вращения ротора и обеспечивается равномерность и плавность вращения рабочего механизма.

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.

Обозначения на фиг.2: t - текущее время; Тм - механический период обращения ротора; Тэ1э4 - «электрический» период тока в обмотках двигателя; *- сигнал на выходе сумматора с обнулением 10; Т- период сигнала с датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 при постоянной частоте

вращения; i* - задающий сигнал для тока в обмотках 4 двигателя 3; Тinр - период сигнала с датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 при изменяющейся частоте вращения; - текущая частота вращения, з - заданная частота вращения на выходе блока задания угловой скорости 13; ср - частота вращения, усредненная на механическом периоде Тм (средняя) частота вращения.

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 ˜Uc 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

7 и 8, длительность интервалов Т и Тinр 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 *, 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 , преодолевая момент сопротивления Мн и момент инерции рабочего механизма 6. Угол 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 Мн рабочего механизма 6, вращение последнего будет равномерным (плавным). Однако момент сопротивления Мн рабочего механизма 6 в течение одного оборота ротора не остается постоянным, т.е. зависит от угла положения ротора 5. При этом на интервале времени, когда М>Мн частота вращения ротора 5 и рабочего механизма 6 будет увеличиваться, а при М<М н - уменьшаться, т.е. будет наблюдаться колебание частоты вращения ротора 5 и рабочего механизма 6 вокруг некоторого среднего значения ср. Это приводит к зрительному эффекту подергивания витрины,

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 вращения ротора 5, которая в узле сравнения 12 вычитается из задающей з 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 Тм обращения ротора 5 остается постоянным, то средняя частота ср вращения ротора остается постоянной (например, равной заданной частоте (из вращения ротора 5). Но мгновенное значение частоты вращения будет отличаться от заданного значения. Частота вращения связана с углом положения ротора, как

При равномерном вращении , тогда

При неравномерном вращении ротора 5 его мгновенная частота вращения о, определяемая изменяющимся моментом М н сопротивления рабочего механизма 6, будет зависеть от мгновенного i- того интервала времени (периода T inp) между импульсами датчика Уточного отсчета положения ротора 5. На первом «электрическом» периоде Т э1, Тinр , что свидетельствует о мгновенной скорости меньшей з, далее при уменьшении Т inр на втором, третьем и четвертом «электрических» периодах Тэ2, Тэ3, Т э4 мгновенное значение периода Тinр датчика 7 точного отсчета угла поворота ротора 5 также

уменьшается фиг.2, з), а значит мгновенная частота вращения 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 (з-), 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 <з или к его уменьшению, если >з. При этом мгновенная частота вращения со ротора 5 будет стремиться к заданной частоте з 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.

1. Электропривод, содержащий 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, отличающийся тем, что он 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, причем 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 рабочего механизма, а выход узла сравнения через регулятор частоты вращения подключен к первому входу системы управления инвертором, со вторым входом которой соединен выход сумматора с обнулением.

2. Электропривод по п.1, отличающийся тем, что преобразователь напряжения выполнен в виде преобразователя переменного напряжения в постоянное, и его силовой вход подключен к сети переменного тока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройствам для информации и показа различного рода печатной продукции и может найти применение в качестве рекламно-информационных щитов на улицах - на остановках, на специально выделенных площадках для рекламы, для объявлений, информации о поиске и предложениях работы и т.п
Наверх